CN113194464B - 一种基于频谱检测的物联网物理层隐蔽通信方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频谱检测的物联网物理层隐蔽通信方法及装置，属于无线通信领域。本发明在发射端通过针对物联网信号传输系统物理层射频端进行脉冲调制，将原始传输信号的部分频谱能量搬移到空闲频段上，从而实现针对隐蔽信息调制；在接收端通过针对指定频段的信号频谱能量进行检测，从而实现针对隐蔽信号的解调。相比传统的信号加密手段和针对信号时域信息的解调方式，本发明在不改变原有传输系统的硬件及传输方式的同时兼具低功耗、低成本、高隐蔽性和高可靠性的特点。并在一定范围内，可通过增大隐蔽信息的传输功率来提升传输的可靠性，或降低隐蔽信息的传输功率来提升传输的隐蔽性。本发明可广泛地应用于已有的物联网传输设备。

Description

一种基于频谱检测的物联网物理层隐蔽通信方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于频谱检测的物联网物理层隐蔽通信方法及装置，属于无线通信领域。

背景技术

物联网常用的无线通信技术包括Zigbee技术、WiFi技术、Bluetooth(蓝牙)技术以及LoRa技术等。这些技术所传输的信号能量均集中于指定的频段上，因此，若在信号发射的射频端，通过开关键控的方式针对物联网信号传输系统物理层射频端信号进行脉冲调制，可将该信号的部分能量搬移到空闲的频段上，即可实现在不影响原始信号的基础上，建立隐蔽信道，完成针对隐蔽信息的调制。而在接收端通过针对相应频段的频谱能量进行检测，即可完成针对隐蔽信息的解调。

目前现有的隐蔽传输方法主要采用的是在数据链路层基于密钥的加密技术，但这种加密技术存在结构复杂，需要设计特殊的发射机和接收机的局限性；而且这种加密技术在传输过程中的密文相对监听端缺乏隐蔽性，较为容易受到攻击。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于频谱检测的物联网物理层隐蔽通信方法及装置，其具有结构简单，可实现性高，隐蔽性强等特点。

本发明的目的是通过如下技术方式实现的：在发射端，通对原始传输系统的射频前端进行开关键控的方式，对原始信号进行脉冲调制，从而在原始信号中嵌入包含隐蔽信息的脉冲信号，再将调制后的信号通过天线发射出去，从而达到以原始物联网信号为载体传输隐蔽信息的目的。

由于当隐蔽信号脉宽低于原物联网基带信号的采样周期时，所以本发明涉及的信号传输将不会对原始信号的传输造成任何影响。而且该方法及装置所建立的隐蔽信道无法被直接监听，具有结构简单易于实现、隐蔽性强、不影响原传输系统的收发、不受原传输系统信号调制体制的限制、可应用于现有的物联网成熟发射系统等优势，可以实现低功耗、高可靠性的隐蔽传输。同时，发明可在不影响原系统传输的基础上，通过减小脉冲调制的脉宽或周期，从而降低隐蔽信号的传输功率，提升隐蔽信息传输的隐蔽性；或通过增大脉冲调制的脉宽或周期，从而增大隐蔽信号的传输功率，提升隐蔽信息传输的可靠性。

一种基于频谱检测的物联网物理层隐蔽通信方法，其步骤如下：

步骤1、隐蔽信息获取及存储模块不断从环境或上位机中获取待传输的隐蔽信息，并存储在寄存器中；

步骤2、指令发送计算机基于需求设置脉冲调制的周期；

步骤3、指令发送计算机向隐蔽信息获取及调制模块发送唤醒指令，隐蔽信息存储模块开始从寄存器中读取已存在隐蔽信息，经过编码模块得到串行单比特隐蔽信息数据流B；

步骤4、控制模块将隐蔽信息数据流B转化为电平信号C，并用于作为射频开关阻抗切换的控制信息；

步骤5、射频开关基于电平信号C对原传输系统的射频信号进行调制，并将调制后的信号由射频天线发出；

步骤6、隐蔽接收机通过检测指定频段的频谱能量，实现针对隐蔽信号的解调。

进一步地，所述步骤5中射频开关对原传输系统射频信号的调制的方式如下：

首先利用单刀双掷射频开关基于电平信号C进行阻抗切换，再将开关切换后的一个支路信号延时一定时间长度后，通过合路器与原支路信号相加。令原始传输系统射频信号A为y(t)，当隐蔽信息数据传输0时，电平信号C为低电平时，阻抗开关保持闭合状态，而当隐蔽信息数据流传输1时，C为周期为T₁，持续时间为T₂的方波，阻抗开关按照周期T₁进行阻抗切换，持续时间为T₂。且令持续时间为阻抗开关切换周期的N倍，即T₂＝NT₁。

则当C为低电平时，输出信号D1为：y_D1(t)＝y(t)；输出信号D2为：y_D2(t)＝0；合并后信号D为：y_D(t)＝y(t)。

当C为高电平时，输出信号D1为：

令D2相对D1的延时为τ，则输出信号D2为：

将信号D1和D2通过合路器合并后，则输出信号为：

通过这种方式，在隐蔽信息传输1时，对原始信息实现了脉冲调制。

进一步地，所述步骤6中隐蔽接收机针对隐蔽信息解调的方式如下：

若令原始传输信号C所对应的频谱为Y(f)，则当发送0时，接收端所对应的频谱即为Y(f)。

而当发送1时，接收端的时域波形可以等效于：

因此，所对应的频谱为：

由此可见，当发送1时，接收端的频谱相比发送0时与间隔为

的周期冲激串进行了卷积，因此，即发送1时，频谱进行了间隔为

的周期延拓。基于此，针对周期延拓后的频谱相应频点进行频谱能量检测即可解调出相应的隐蔽信息。

具体来说：

步骤6-1、隐蔽信息接收端根据脉冲周期和原物联网信号传输体制，确定隐蔽信号的接收频点；

步骤6-2、隐蔽信息接收端针对接收到的信号进行同步；

步骤6-3、隐蔽信息接收端以检测相应频点的频谱能量；

步骤6-4、隐蔽信息接收端针对相应频点的频谱能量进行自适应门限判决，获取单比特数据流；

步骤6-5、隐蔽信息接收端针对相应单比特数据流进行解码，以获取隐蔽信息。

在这个过程中，若存在常规接收机，则由步骤5可见，当C为低电平时，常规接收机所接收到的信号(可令其为E1)即为原物联网传输信号D，可以正常解调；

当C为高电平时，常规接收机所接收到的信号E1为原物联网传输信号叠加周期为T₁，持续时间为T₂＝NT₁，脉宽为τ的脉冲信号，其中T₂＝NT₁。此时，令接收端针对E1的采样周期为T_s，则实际接收到的信号为：

由此，若τ<T_s，则：

由此可见，当脉冲宽度小于采样周期时，隐蔽信息的传输并不会影响原始信号的传输。因此，常规接收机针对接收到的信号经过载波同步、帧头同步、解帧解码模块即可得到原始传输系统的发送信息。

有益效果

1、相比于现有数字正交调制技术，本发明是一种对针对物联网传输系统射频前端进行附加调制的模拟调制技术，与原物联网传输系统的硬件结构或信号调制方式无关，且对原物联网传输系统的硬件结构或信号调制方式无需进行任何改动或限制。因此，本发明可广泛地应用于现有的成熟的物联网传输系统。

2、相比于现有信息加密技术，本发明是一种基于物联网传输系统物理层信息的隐藏方法，对隐蔽信息进行了频谱搬移，且隐蔽信号能量较低，因此既不会影响原始传输系统也不会对空间中可能存在的其余传输系统造成干扰。同时，采用通常的解码方式无法获得隐蔽信息，系统保密性较强。

3、针对隐蔽信息的解调，本发明采用通过检测信号频谱能量的方式，针对信号频域进行解调，相比传统针对信号时域信息进行解调的方法，本发明受到环境变化所产生的影响小，且不易受到信道噪声(如高斯噪声、白噪声)的干扰。

附图说明

图1是本发明基于频谱检测的物联网物理层隐蔽通信方法流程图

图2是本发明实施例的一种基于频谱检测的物联网物理层隐蔽通信传输装置结构框图；

图3是本发明实施例的基于频谱检测的物联网物理层隐蔽通信装置发射端结构示意图；

图4是本发明实施例的基于频谱检测的物联网物理层隐蔽通信装置接收端结构示意图；

图5为本发明实施例提供的接收端频域波形示意图

其中，图a为隐蔽信息发送0时，本发明实施例提供的接收端频域波形示意图；图b为隐蔽信息发送1时，本发明实施例提供的接收端频域波形示意图；

图6为本发明实施例提供的室内试验场景示意图

图7为本发明实施例提供的接收端误码率示意图

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明。同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本实施例采用基于802.11g协议的WiFi信号作为原物联网传输信号。该WiFi传输系统针对基带信号采用16-QAM的调制方式，并采用64点FFT和16位循环前缀，信息传输速率约为1Mbps，信号调制的脉宽约为采样速率的1/20。针对该WiFi传输系统的物理层隐蔽通信具体实施步骤如下：

步骤1、隐蔽信息获取及存储模块不断从环境或上位机中获取待传输的隐蔽信息，并存储在寄存器中；

步骤2、隐蔽信息编码模块基于需求和原物联网传输信号设置脉冲调制的周期；

步骤3、指令发送计算机向隐蔽信息获取及调制模块发送唤醒指令，隐蔽信息存储模块开始从寄存器中读取已存隐蔽信息，经过编码模块得到串行单比特隐蔽信息数据流B；

步骤4、控制模块将隐蔽信息数据流B转化为电平信号C，并用于作为射频开关阻抗切换的控制信息。射频开关基于控制信息对射频天线通过开关进行阻抗切换，并将开关切换后的一个支路信号延时一定时间长度后，再通过合路器与原支路信号相加，实现基于脉冲调制的物理层隐蔽信息传输。调制后的信号由射频天线发出；

步骤5、隐蔽信息接收端的频谱能量检测模块基于原WiFi传输系统确定接收信号的频点。如图5的a和b所示分别为本发明在传输0和1时，接收端分别接收到的信号频域波形。可见，由于脉宽约为采样周期的1/20，在传输0或者1时，原始信号相应频点上的频谱能量并无明显变化。

当传输1时，在原始传输信号范围之外的频段上，产生额外，通过脉冲调制搬移的频谱能量，而在传输0时，接收端在该频点处的频谱能量类似于高斯白噪声在该点处频谱能量。

针对步骤5中的频谱，隐蔽信息接收端中的隐蔽信息解调模块经过门限自适应判决可获得隐蔽信息对应的01序列，按照隐蔽信息的编码形式，即m序列，可相应解出隐蔽信息

具体地，本实施例在如图6所示的室内场景中进行试验。发送设备Tx的功率设置为15dBm，接收设备A、B、C、D、E、F、G的接收功率均设置为60dB，摆放位置如图6所示，对应测试结果隐蔽信息误码率曲线如图7所示。针对原始信号，上述A、B、C、D、E、F、G设备均能准确无误完成解调，即误码率为0。针对隐蔽信息，上述A、B、C、D、F设备均可准确无误完成解调，即误码率为0。上述E设备针对隐蔽信息的误码率为0.13％；上述G设备针对隐蔽信息的误码率为0.51％；

上述实验中，所述原物联网信号发射模块、频谱能量检测模块和隐蔽信息解调模块均采用ETTUS公司USRP B210的软件无线电平台；

所述隐蔽信息获取及存储模块和隐蔽信息编码模块采用TEXAS INSTRUMENT公司的MSP430G2553微处理器芯片。

所述控制模块及阻抗切换模块采用ANALOG DEVICES公司HMC系列射频开关，根据隐蔽信息调制方式及调制速率的不同选择不同类型的射频开关，具体分为SPST射频开关HMC1055、SPDT射频开关HMC284、SP4T射频开关HMC241、SP8T射频开关HMC253等。

在上述实验条件下，可以获得所述发送设备发送所述隐蔽信息的最大传输距离大于等于16.8m。需要强调的是,在具体实施时，可以通过增加接收功率、增加脉冲切换周期、在小于采样频率的前提下增大脉冲宽度等方式，在不影响原信号的基础上，进一步提升传输距离。也可以通过链路加密、节点加密、端到端加密等加密方式，针对隐蔽信息进行进一步的加密，保障隐蔽信息传输的安全。

通过上述基于802.11g协议的WiFi调制信号的物理层隐蔽传输方法，即可实现的隐蔽信息的传输。由于在传输过程中信息的隐藏和解调不影响原始传输系统的调制和解调且隐蔽信号自身能量较低并可根据需求控制，因此极大减少了该隐蔽传输系统被发现的可能性；

以上所述仅是本发明的优选实施方式，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对多有实施方案予以穷举，凡是属于本发明的技术方案而引申出的显而易见的变化和变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (4)

1.一种基于频谱检测的物联网物理层隐蔽通信方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、隐蔽信息获取及存储模块不断从环境或上位机中获取待传输的隐蔽信息，并存储在寄存器中；

步骤2、指令发送计算机基于需求设置脉冲调制的周期；

步骤3、指令发送计算机向隐蔽信息获取及调制模块发送唤醒指令，隐蔽信息获取及存储模块开始从寄存器中读取已存在隐蔽信息，经过编码模块得到串行单比特隐蔽信息数据流B；

步骤4、控制模块将隐蔽信息数据流B转化为电平信号C，并用于作为射频开关阻抗切换的控制信息；

步骤5、射频开关基于电平信号C对原传输系统的射频信号进行调制，并将调制后的信号由射频天线发出；

步骤6、隐蔽接收机通过检测指定频段的频谱能量，实现针对隐蔽信号的解调。

2.如权利要求1所述的一种基于频谱检测的物联网物理层隐蔽通信方法，其特征在于，步骤5的实现方法为：

首先利用单刀双掷射频开关基于电平信号C进行阻抗切换，再将开关切换后的一个支路信号延时一定时间长度后，通过合路器与原支路信号相加；令原始传输系统射频信号A为y(t)，当隐蔽信息数据传输0时，电平信号C为低电平时，阻抗开关保持闭合状态，而当隐蔽信息数据流传输1时，C为周期为T₁，持续时间为T₂的方波，阻抗开关按照周期T₁进行阻抗切换，持续时间为T₂；且令持续时间为阻抗开关切换周期的N倍，即T₂＝NT₁；

则当C为低电平时，输出信号D1为：y_D1(t)＝y(t)；输出信号D2为：y_D2(t)＝0；合并后信号D为：y_D(t)＝y(t)；

当C为高电平时，输出信号D1为：

令D2相对D1的延时为τ，则输出信号D2为：

将信号D1和D2通过合路器合并后，则输出信号为：

通过这种方式，在隐蔽信息传输1时，对原始信息实现了脉冲调制。

3.如权利要求1所述的一种基于频谱检测的物联网物理层隐蔽通信方法，其特征在于，步骤6的实现方法为：

若令原始传输信号C所对应的频谱为Y(f)，则当发送0时，接收端所对应的频谱即为Y(f)；

而当发送1时，接收端的时域波形可以等效于：

因此，所对应的频谱为：

由此可见，当发送1时，接收端的频谱相比发送0时与间隔为

的周期冲激串进行了卷积，因此，即发送1时，频谱进行了间隔为

的周期延拓；基于此，针对周期延拓后的频谱相应频点进行频谱能量检测即可解调出相应的隐蔽信息。

4.如权利要求1或3所述的一种基于频谱检测的物联网物理层隐蔽通信方法，其特征在于，步骤6的具体实现步骤为：

步骤6-1、隐蔽信息接收端根据脉冲周期和原物联网信号传输体制，确定隐蔽信号的接收频点；

步骤6-2、隐蔽信息接收端针对接收到的信号进行同步；

步骤6-3、隐蔽信息接收端以检测相应频点的频谱能量；

步骤6-4、隐蔽信息接收端针对相应频点的频谱能量进行自适应门限判决，获取单比特数据流；

步骤6-5、隐蔽信息接收端针对相应单比特数据流进行解码，以获取隐蔽信息；

在这个过程中，若存在常规接收机，则由步骤5可见，当C为低电平时，常规接收机所接收到的信号E1即为原物联网传输信号D，可以正常解调；

当C为高电平时，常规接收机所接收到的信号E1为原物联网传输信号叠加周期为T₁，持续时间为T₂＝NT₁，脉宽为τ的脉冲信号，其中T₂＝NT₁；此时，令接收端针对E1的采样周期为T_s，则实际接收到的信号为：

由此，若τ＜T_s，则：

由此可见，当脉冲宽度小于采样周期时，隐蔽信息的传输并不会影响原始信号的传输；因此，常规接收机针对接收到的信号经过载波同步、帧头同步、解帧解码模块即可得到原始传输系统的发送信息。

Images