高速數(shù)據(jù)鏈隱蔽通信發(fā)展現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)

李曙光

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

隨著軍用無線電設(shè)備的廣泛使用，軍事通信系統(tǒng)的安全性要求越來越高，除了常規(guī)的加密算法外，密碼學(xué)、信息隱藏及網(wǎng)絡(luò)安全的結(jié)合提供了增強(qiáng)無線電通信安全性的基礎(chǔ)。隱蔽通信正是有效的結(jié)合密碼技術(shù)與信息隱藏技術(shù)的優(yōu)勢(shì)并應(yīng)用于無線電通信的一種通信技術(shù)，即把涉密信息隱藏于多媒體中進(jìn)行傳輸，這種多媒體包含圖像、話音及視頻等。這種通信手段很容易麻痹第三方感知，提高了通信系統(tǒng)抗截獲性。在無線電設(shè)備設(shè)計(jì)中，我們把軍用涉密數(shù)據(jù)嵌入圖像、語音、視頻等業(yè)務(wù)中進(jìn)行高速傳輸，有效的提高軍事通信系統(tǒng)中信息傳遞的安全性，進(jìn)一步提升軍隊(duì)信息作戰(zhàn)的能力。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

美軍裝備通用數(shù)據(jù)鏈與戰(zhàn)術(shù)通用數(shù)據(jù)鏈傳輸速率已達(dá)到274Mbps，高完整性數(shù)據(jù)鏈傳輸速率已達(dá)到20Mbps，為隱蔽通信提供有力的傳輸保障。

第一屆國際信息隱藏學(xué)術(shù)研討會(huì)于 1996年 5月30日～6月1日在英國劍橋牛頓研究所召開。

1997年10月，時(shí)域公司在美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)進(jìn)行隱蔽通信的無線電現(xiàn)場演示。1998年6月，美國國防部特種技術(shù)辦公室與多頻譜公司開展低截獲話音和數(shù)據(jù)通信及圖像傳輸研發(fā)工作。同年，圖像數(shù)據(jù)隱藏的AD報(bào)告出現(xiàn)在美國政府報(bào)告中。2001年1月，MSSI完成高速數(shù)據(jù)鏈隱蔽通信系統(tǒng)的現(xiàn)場測試與評(píng)估。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈、衛(wèi)星偵察數(shù)據(jù)鏈等高速數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中已成功進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸圖像、語音、視頻、文本等業(yè)務(wù)，為隱蔽通信提供有力的傳輸保障。

隱蔽通信在我國處于起步階段，存在很多技術(shù)瓶頸，大部分工作以仿真為主，何德全院士、周仲義院士、蔡吉人院士等于1999年12月聯(lián)合發(fā)起召開了我國第一屆信息隱藏學(xué)術(shù)研討會(huì)。近幾年，數(shù)字水印技術(shù)已大量應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品中，作為信息隱藏技術(shù)的水印技術(shù)趨于成熟，而信息隱藏技術(shù)在軍事方面的應(yīng)用以及隱蔽通信技術(shù)在國內(nèi)還處于起步階段。

2 關(guān)鍵技術(shù)

高速數(shù)據(jù)鏈隱蔽通信系統(tǒng)必須具有相當(dāng)高的穩(wěn)鍵性、隱蔽性和安全性。要滿足以上三點(diǎn)需要數(shù)據(jù)傳輸具有高的可靠性，壓縮數(shù)據(jù)具有高保真性，信息隱藏算法具有強(qiáng)的抗攻擊能力。進(jìn)而要求高速數(shù)據(jù)鏈隱蔽通信系統(tǒng)需要突破的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：高速傳輸技術(shù)，壓縮編碼技術(shù)，信息隱藏技術(shù)。

2.1 高速傳輸技術(shù)

高速數(shù)據(jù)鏈傳輸速率可達(dá)幾百M(fèi)bps，如果采用單路方式，意味著 A/D采樣數(shù)據(jù)每秒將達(dá)上 G比特以上，以目前的硬件水平無法實(shí)現(xiàn)串行處理。因此采用將高速信息流分解為并行的低速信息流進(jìn)行處理，最后利用復(fù)接器將多路信號(hào)合并。復(fù)用路數(shù)的確定要綜合考慮信息速率要求、硬件成本、單路可實(shí)現(xiàn)性。路數(shù)太多，單路處理復(fù)雜度降低，但會(huì)增加硬件成本。根據(jù)高速數(shù)據(jù)鏈的系統(tǒng)特點(diǎn)，將復(fù)用路數(shù)確定為多路。在調(diào)制方式方面，綜合考慮功率效率、頻譜效率、靈活擴(kuò)展性等因素，選取OQPSK為高速數(shù)據(jù)鏈隱蔽通信系統(tǒng)的高速率調(diào)制方式。在信道編碼方面，LDPC碼兼具分組碼的簡單結(jié)構(gòu)和Turbo碼的優(yōu)良性能，如果選用結(jié)構(gòu)化的LDPC碼，則編解碼復(fù)雜度都很低，而且易于并行實(shí)現(xiàn)，另外，LDPC碼還易于編碼速率控制，所以高速數(shù)據(jù)鏈隱蔽通信系統(tǒng)選用結(jié)構(gòu)化的可變編碼速率LDPC碼。

高速數(shù)據(jù)鏈高速信息傳輸處理方案框圖如圖 1所示，圖 1（a）為發(fā)射端的處理過程，圖 1（b）為接收端處理過程。

圖1 高速數(shù)據(jù)鏈高速信息傳輸處理方案框圖

2.2 壓縮編碼技術(shù)

隨著高速數(shù)據(jù)鏈隱蔽通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)容量呈幾何指數(shù)增長，為了提高信息分發(fā)傳輸?shù)挠行?，除了有限的增加系統(tǒng)帶寬的方式，還需對(duì)原始信息進(jìn)行壓縮編碼處理，則可以極大降低信息傳輸對(duì)帶寬的壓力。而原始信息中主要占容量的信息是圖像、話音及視頻，自然壓縮編碼技術(shù)主要對(duì)圖像壓縮編碼、話音壓縮編碼、視頻壓縮編碼進(jìn)行研究。

2.2.1 圖像壓縮編碼

圖像壓縮編碼主要利用聯(lián)合圖像專家組開發(fā)研制出連續(xù)色調(diào)、多級(jí)灰度、靜止圖像的數(shù)字圖像壓縮編碼方法進(jìn)行圖像壓縮。

2.2.2 話音壓縮編碼

話音壓縮編碼主要采用由 MPEG系列中的音頻編碼和DOLBY實(shí)驗(yàn)室推出的AC系列及ITU發(fā)布的相關(guān)系列的標(biāo)準(zhǔn)有 G.711、G.721、G.722、G.723、G.728、G.729等G系列編碼算法進(jìn)行話音壓縮。

2.2.3 視頻壓縮編碼

視頻壓縮編碼主要采用由 H.261、H.262、H.261、H.264等H系列編碼算法和MPEG系列的MPEG-Ⅱ、MPEG-Ⅳ、MPEG-Ⅶ系列編碼算法。實(shí)際常采用了國內(nèi)領(lǐng)先的改進(jìn)H.264視頻壓縮和還原算法結(jié)合壓縮編碼。該算法通過專用視頻處理芯片技術(shù)，將標(biāo)準(zhǔn)的H.264視頻流再進(jìn)行迭代壓縮和還原，經(jīng)過大量試驗(yàn)比對(duì)，該算法比H.264標(biāo)準(zhǔn)算法壓縮效率提高50%以上，且還原后的效果與H.264標(biāo)準(zhǔn)算法相當(dāng)，具有高的保真性與網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性，非常適合用于無線信道的視頻流實(shí)時(shí)傳輸。

2.3 信息隱藏技術(shù)

目前軍用涉密數(shù)據(jù)主要嵌入圖像、語音、視頻等業(yè)務(wù)中，自然信息隱藏技術(shù)主要對(duì)圖像隱藏、話音隱藏、視頻隱藏三方面進(jìn)行研究。

2.3.1 圖像信息隱藏技術(shù)

圖像信息隱藏主要通過空間域和變換域來進(jìn)行信息隱藏?？臻g域方法具有較大的隱藏信息量與不可見性優(yōu)點(diǎn)，但常常暴露出穩(wěn)定性差。而變換域方法具有較強(qiáng)的不可見性和穩(wěn)健性，目前大量用于圖像信息隱藏。變換域方法是通過將信息隱藏到所有圖像分塊的中低頻區(qū)域中，我方還可通過密鑰的選取、數(shù)據(jù)完整性檢測來確保隱蔽通信的安全性。

2.3.2 語音信息隱藏技術(shù)

目前,語音信息隱藏算法主要可以劃分為兩類：時(shí)間域算法和變換域算法[1,2]。時(shí)間域算法是通過最低比特位替換、回聲隱藏等方法對(duì)語音信息進(jìn)行處理的方法，方法簡單，但容易被截獲。變換域算法是發(fā)射時(shí)把語音信號(hào)的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行離散傅里葉變換、離散余弦變換及離散小波變換等變換，然后將涉密信息嵌入到變換域選定的系數(shù)上；接收時(shí)通過對(duì)應(yīng)的反變換恢復(fù)出含有涉密信息的數(shù)字語音信號(hào)，然后提取涉密信息。變換域算法主要有量化法、擴(kuò)頻法、補(bǔ)丁法、復(fù)制法和獨(dú)立分量分析法等[3,4]，抗截獲能力強(qiáng)，滿足高速數(shù)據(jù)鏈隱蔽通信系統(tǒng)對(duì)信息隱藏要求。

2.3.3 壓縮視頻信息隱藏技術(shù)

基于壓縮視頻的隱藏技術(shù)是在發(fā)射時(shí)通過密鑰生成器把涉密信息嵌入特定壓縮格式的視頻中，通過通信信道發(fā)出涉密信息；在接收時(shí)通信信道接受到涉密信息，密鑰生成器把涉密信息從視頻壓縮流中提取。此種算法在接收端對(duì)包含隱藏信息的單元進(jìn)行部分解碼,算法效率比較高。此外,這種壓縮視頻的隱藏有一個(gè)特殊的要求是不變碼長,這主要是因?yàn)閴嚎s視頻在壓縮時(shí)各個(gè)編碼單元最終采用可變長編碼,在隱藏前后碼長往往發(fā)生變換,如果這種變換過大,將會(huì)引起視頻的不同步、甚至發(fā)生緩沖溢出。不變碼長正是與視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合的具體體現(xiàn)?；趬嚎s視頻信息隱藏的原理圖如圖2。

圖2 基于壓縮視頻信息隱藏的原理圖

3 結(jié)論

高速數(shù)據(jù)鏈隱蔽通信系統(tǒng)提升了軍用無線電設(shè)備傳輸信息的安全性，本文介紹了高速數(shù)據(jù)鏈隱蔽通信發(fā)展現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)，有利于指導(dǎo)高速數(shù)據(jù)鏈隱蔽通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

[1]Fabien A P Petit co las,Ro ss J Anderson,Mar kus G Kuhn.Information Hiding A Survey [J].Proceedings of the IEEE,1999,87(7) :1062～1078.

[2]楊森斌.音頻信息隱藏技術(shù)與應(yīng)用研究[D].西安:西安通信學(xué)院,2008.

[3]余先剛,駱煒,韓占芬.一種基于小波變換的自同步音頻盲水印技術(shù)[J].西安通信學(xué)院學(xué)報(bào),2007,6(2) :1-3.

[4]閆佩君,錢聰.基于分形維數(shù)的語音信息隱藏方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2006,29(23):48-50