高速数据链隐蔽通信发展现状及其关键技术

李曙光

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

随着军用无线电设备的广泛使用，军事通信系统的安全性要求越来越高，除了常规的加密算法外，密码学、信息隐藏及网络安全的结合提供了增强无线电通信安全性的基础。隐蔽通信正是有效的结合密码技术与信息隐藏技术的优势并应用于无线电通信的一种通信技术，即把涉密信息隐藏于多媒体中进行传输，这种多媒体包含图像、话音及视频等。这种通信手段很容易麻痹第三方感知，提高了通信系统抗截获性。在无线电设备设计中，我们把军用涉密数据嵌入图像、语音、视频等业务中进行高速传输，有效的提高军事通信系统中信息传递的安全性，进一步提升军队信息作战的能力。

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

美军装备通用数据链与战术通用数据链传输速率已达到274Mbps，高完整性数据链传输速率已达到20Mbps，为隐蔽通信提供有力的传输保障。

第一届国际信息隐藏学术研讨会于 1996年 5月30日～6月1日在英国剑桥牛顿研究所召开。

1997年10月，时域公司在美国海军陆战队进行隐蔽通信的无线电现场演示。1998年6月，美国国防部特种技术办公室与多频谱公司开展低截获话音和数据通信及图像传输研发工作。同年，图像数据隐藏的AD报告出现在美国政府报告中。2001年1月，MSSI完成高速数据链隐蔽通信系统的现场测试与评估。

1.2 国内研究现状

国内无人机数据链、卫星侦察数据链等高速数据链系统中已成功进行实时传输图像、语音、视频、文本等业务，为隐蔽通信提供有力的传输保障。

隐蔽通信在我国处于起步阶段，存在很多技术瓶颈，大部分工作以仿真为主，何德全院士、周仲义院士、蔡吉人院士等于1999年12月联合发起召开了我国第一届信息隐藏学术研讨会。近几年，数字水印技术已大量应用到实际产品中，作为信息隐藏技术的水印技术趋于成熟，而信息隐藏技术在军事方面的应用以及隐蔽通信技术在国内还处于起步阶段。

2 关键技术

高速数据链隐蔽通信系统必须具有相当高的稳键性、隐蔽性和安全性。要满足以上三点需要数据传输具有高的可靠性，压缩数据具有高保真性，信息隐藏算法具有强的抗攻击能力。进而要求高速数据链隐蔽通信系统需要突破的关键技术主要包括：高速传输技术，压缩编码技术，信息隐藏技术。

2.1 高速传输技术

高速数据链传输速率可达几百Mbps，如果采用单路方式，意味着 A/D采样数据每秒将达上 G比特以上，以目前的硬件水平无法实现串行处理。因此采用将高速信息流分解为并行的低速信息流进行处理，最后利用复接器将多路信号合并。复用路数的确定要综合考虑信息速率要求、硬件成本、单路可实现性。路数太多，单路处理复杂度降低，但会增加硬件成本。根据高速数据链的系统特点，将复用路数确定为多路。在调制方式方面，综合考虑功率效率、频谱效率、灵活扩展性等因素，选取OQPSK为高速数据链隐蔽通信系统的高速率调制方式。在信道编码方面，LDPC码兼具分组码的简单结构和Turbo码的优良性能，如果选用结构化的LDPC码，则编解码复杂度都很低，而且易于并行实现，另外，LDPC码还易于编码速率控制，所以高速数据链隐蔽通信系统选用结构化的可变编码速率LDPC码。

高速数据链高速信息传输处理方案框图如图 1所示，图 1（a）为发射端的处理过程，图 1（b）为接收端处理过程。

图1 高速数据链高速信息传输处理方案框图

2.2 压缩编码技术

随着高速数据链隐蔽通信传输的数据容量呈几何指数增长，为了提高信息分发传输的有效性，除了有限的增加系统带宽的方式，还需对原始信息进行压缩编码处理，则可以极大降低信息传输对带宽的压力。而原始信息中主要占容量的信息是图像、话音及视频，自然压缩编码技术主要对图像压缩编码、话音压缩编码、视频压缩编码进行研究。

2.2.1 图像压缩编码

图像压缩编码主要利用联合图像专家组开发研制出连续色调、多级灰度、静止图像的数字图像压缩编码方法进行图像压缩。

2.2.2 话音压缩编码

话音压缩编码主要采用由 MPEG系列中的音频编码和DOLBY实验室推出的AC系列及ITU发布的相关系列的标准有 G.711、G.721、G.722、G.723、G.728、G.729等G系列编码算法进行话音压缩。

2.2.3 视频压缩编码

视频压缩编码主要采用由 H.261、H.262、H.261、H.264等H系列编码算法和MPEG系列的MPEG-Ⅱ、MPEG-Ⅳ、MPEG-Ⅶ系列编码算法。实际常采用了国内领先的改进H.264视频压缩和还原算法结合压缩编码。该算法通过专用视频处理芯片技术，将标准的H.264视频流再进行迭代压缩和还原，经过大量试验比对，该算法比H.264标准算法压缩效率提高50%以上，且还原后的效果与H.264标准算法相当，具有高的保真性与网络适应性，非常适合用于无线信道的视频流实时传输。

2.3 信息隐藏技术

目前军用涉密数据主要嵌入图像、语音、视频等业务中，自然信息隐藏技术主要对图像隐藏、话音隐藏、视频隐藏三方面进行研究。

2.3.1 图像信息隐藏技术

图像信息隐藏主要通过空间域和变换域来进行信息隐藏。空间域方法具有较大的隐藏信息量与不可见性优点，但常常暴露出稳定性差。而变换域方法具有较强的不可见性和稳健性，目前大量用于图像信息隐藏。变换域方法是通过将信息隐藏到所有图像分块的中低频区域中，我方还可通过密钥的选取、数据完整性检测来确保隐蔽通信的安全性。

2.3.2 语音信息隐藏技术

目前,语音信息隐藏算法主要可以划分为两类：时间域算法和变换域算法[1,2]。时间域算法是通过最低比特位替换、回声隐藏等方法对语音信息进行处理的方法，方法简单，但容易被截获。变换域算法是发射时把语音信号的采样数据进行离散傅里叶变换、离散余弦变换及离散小波变换等变换，然后将涉密信息嵌入到变换域选定的系数上；接收时通过对应的反变换恢复出含有涉密信息的数字语音信号，然后提取涉密信息。变换域算法主要有量化法、扩频法、补丁法、复制法和独立分量分析法等[3,4]，抗截获能力强，满足高速数据链隐蔽通信系统对信息隐藏要求。

2.3.3 压缩视频信息隐藏技术

基于压缩视频的隐藏技术是在发射时通过密钥生成器把涉密信息嵌入特定压缩格式的视频中，通过通信信道发出涉密信息；在接收时通信信道接受到涉密信息，密钥生成器把涉密信息从视频压缩流中提取。此种算法在接收端对包含隐藏信息的单元进行部分解码,算法效率比较高。此外,这种压缩视频的隐藏有一个特殊的要求是不变码长,这主要是因为压缩视频在压缩时各个编码单元最终采用可变长编码,在隐藏前后码长往往发生变换,如果这种变换过大,将会引起视频的不同步、甚至发生缓冲溢出。不变码长正是与视频压缩编码标准相结合的具体体现。基于压缩视频信息隐藏的原理图如图2。

图2 基于压缩视频信息隐藏的原理图

3 结论

高速数据链隐蔽通信系统提升了军用无线电设备传输信息的安全性，本文介绍了高速数据链隐蔽通信发展现状及其关键技术，有利于指导高速数据链隐蔽通信系统的设计和实现。

[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]杨森斌.音频信息隐藏技术与应用研究[D].西安:西安通信学院,2008.

[3]余先刚,骆炜,韩占芬.一种基于小波变换的自同步音频盲水印技术[J].西安通信学院学报,2007,6(2) :1-3.

[4]闫佩君,钱聪.基于分形维数的语音信息隐藏方法[J].现代电子技术,2006,29(23):48-50