戴躍偉 劉光杰 曹鵬程 劉偉偉 翟江濤

1 南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,南京,210044 2 南京理工大學(xué) 自動化學(xué)院,南京,210094

0 引言

隨著以5G為代表的移動通信技術(shù)的飛速發(fā)展以及人類活動向太空和深海的延伸,利用電磁波、聲波、光等作為信息傳輸媒介的現(xiàn)代無線通信技術(shù)已成為各場景中主要的通信方式．依據(jù)介質(zhì)類型,無線通信可分為無線電通信、聲波通信、自由空間光通信、磁通信等．其中,無線電通信是當(dāng)前最廣泛使用的通信方式．無線電介質(zhì)的開放性,使得通信信號很容易被第三方攔截和竊聽[1],進(jìn)而導(dǎo)致通信內(nèi)容的泄露或通信意圖的暴露．傳統(tǒng)上,通常采用信息加密來保障信息的機(jī)密性,用擴(kuò)頻等降低信號功率的手段提高信號的抗截獲能力．現(xiàn)代信息隱藏技術(shù)的發(fā)展給通信內(nèi)容和行為保護(hù)帶來了更多的選擇．

現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信一般采用包含物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層的五層結(jié)構(gòu)來作為體系架構(gòu),其中物理層又可進(jìn)一步分解為編碼層、調(diào)制層和信號層,具體如圖1所示．傳統(tǒng)信息隱藏主要以圖像、音頻、視頻和文本作為載體,主要是多媒體領(lǐng)域的信息隱藏．網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域的信息隱藏以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報(bào)文和通信信號作為載體．通常網(wǎng)絡(luò)層以上的技術(shù)被認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)范疇,該范疇中的信息隱藏稱為網(wǎng)絡(luò)隱蔽信道(Network Covert Channel)[2-5],包含基于冗余字段替換、協(xié)議混淆偽裝、協(xié)議隧道封裝等存儲式方法和基于數(shù)據(jù)包時(shí)標(biāo)信息的時(shí)標(biāo)式方法．與網(wǎng)絡(luò)范疇對應(yīng),鏈路層解決通信介質(zhì)利用問題,物理層解決信息與信號之間的轉(zhuǎn)化問題,構(gòu)成通信范疇．該范疇中的信息隱藏稱為隱蔽通信．具體到無線通信(包含組網(wǎng)情形下的無線網(wǎng)絡(luò)通信,以及非組網(wǎng)情形下的點(diǎn)對點(diǎn)和點(diǎn)對多點(diǎn)通信)場景中的信息隱藏技術(shù)即為無線隱蔽通信[6],本文重點(diǎn)探討無線電通信領(lǐng)域的隱蔽通信問題．為了避免過細(xì)的界定導(dǎo)致陳述上的繁復(fù),本文后續(xù)所述無線隱蔽通信將專指無線電隱蔽通信．

無線隱蔽通信是在無線通信數(shù)據(jù)幀和通信信號中進(jìn)行信息隱藏的技術(shù),其采用的隱藏手段主要是替換數(shù)據(jù)幀域冗余字段、引入額外編碼域錯(cuò)誤、插入額外信號頻帶、引入額外信號噪聲等方式,主要涉及傳輸速率、可靠性和隱蔽性等能力要素．無線隱蔽通信作為一種以隱蔽性為主要追求的特殊通信方式,涉及多種場景下的隱蔽信道容量分析等信息論新問題,和一系列以無線通信為背景的信息隱藏方法,在復(fù)雜對抗環(huán)境中的軍事通信、物理隔離環(huán)境下的情報(bào)通信等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景．

基于鏈路層的隱蔽通信主要利用鏈路幀字段的替換和插入實(shí)現(xiàn)信息隱藏,如基于無線局域網(wǎng)802.11協(xié)議族和4G移動通信的LTE等主流無線通信協(xié)議中的數(shù)據(jù)幀報(bào)文頭冗余字段[7-8]、填充部分[9-11]和序列號[12-13]的方法．亦有學(xué)者提出了將網(wǎng)絡(luò)隱蔽信道與無線隱蔽通信相結(jié)合的混合網(wǎng)絡(luò)通信隱蔽信道方法[14-15]．這類方法的通信速率與可靠性主要取決于所采用的隱蔽通信載體,由于難以抵抗模式匹配[16-17]和統(tǒng)計(jì)分析[18-19]等檢測方法,隱蔽性較弱．

物理層中編碼和調(diào)制層的隱蔽通信可以利用信道編碼冗余[20-27]、多載波調(diào)制OFDM的循環(huán)前綴[28-29]和空閑頻譜資源[30-31]來實(shí)施．在信號層,通常利用無線信道中天然存在的噪聲作為掩護(hù),將信息調(diào)制為低功率噪聲直接發(fā)送,抑或疊加在載體通信信號上發(fā)送．信號層無線隱蔽通信理論上屬于一類低檢測概率(Low Probability Detection,LPD)通信問題．該領(lǐng)域最早的研究假設(shè)理想的高斯信道下檢測方已知信道噪聲的功率值,并基于假設(shè)檢驗(yàn)來判斷是否存在隱蔽通信,發(fā)送方在滿足隱蔽性的前提下能夠可靠傳輸?shù)男畔⒘繚M足平方根定律(Square Root Law,SRL)[32],且隱蔽通信速率隨著利用信道時(shí)頻資源數(shù)量的增加而趨向于0．研究者進(jìn)一步分析了在發(fā)送方[33-34]、接收方[35-37]以及額外節(jié)點(diǎn)[38-41]引入人工噪聲干擾等對檢測方不利的因素的場景下的隱蔽通信容量．該領(lǐng)域研究成果也被進(jìn)一步擴(kuò)展至中繼通信[42-45]、多天線[46-47]、廣播通信[48-49]等其他通信場景．

信號層無線隱蔽通信方法一般假設(shè)檢測方僅擁有信道噪聲的部分知識,較常見的是假設(shè)檢測方知道信道噪聲分布類型而不清楚其功率大?。l(fā)送方將信息調(diào)制成與正常信道噪聲相似的信號實(shí)施隱蔽通信．早期方法中,發(fā)送方信息嵌入到一段服從α穩(wěn)定分布[50-51]或高斯分布[52]的噪聲序列特征參數(shù)中,接收方通過估計(jì)特征參數(shù)來提取信息,這類方法傳輸速率較低,且存在序列同步問題[53]．后續(xù)方法將信息調(diào)制為特定噪聲后疊加在正常通信信號上進(jìn)行傳輸,或?qū)㈦S機(jī)噪聲與調(diào)制的特定噪聲疊加[54]或混合[55]來提高隱蔽性,這類方法需要消耗一定的通信帶寬,隱蔽性也不夠理想[17].文獻(xiàn)[56]提出一種基于星座圖擬形調(diào)制的無線隱蔽信道,發(fā)送方利用星座圖擬形調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了更好的隱蔽性與可靠性．

無線隱蔽通信的研究經(jīng)過多年的發(fā)展,已經(jīng)逐步形成了噪聲式隱蔽信道容量理論以及鏈路層、編碼層、調(diào)制層和信號層的各種方法,近些年也發(fā)展了一些針對隱蔽通信的檢測技術(shù)．本文重點(diǎn)對無線隱蔽通信的系統(tǒng)模型、基本理論以及各方向上的技術(shù)進(jìn)展情況進(jìn)行總結(jié)和歸納,并在此基礎(chǔ)上給出該領(lǐng)域有待進(jìn)一步研究的問題．

本文結(jié)構(gòu)安排如下:第一節(jié)介紹無線隱蔽信道的系統(tǒng)模型和能力要素,第二節(jié)介紹典型無線協(xié)議中的鏈路層無線隱蔽通信方法并對其隱蔽性進(jìn)行分析,第三節(jié)總結(jié)物理層無線隱蔽通信理論與技術(shù)的進(jìn)展,第四節(jié)對有待研究的問題進(jìn)行展望,第五節(jié)給出全文的總結(jié)．

1 無線隱蔽通信系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)模型

信息隱藏：H(x，m)→y，

(1)

上述模型體現(xiàn)了Alice/Bob與Willie之間的通信對抗關(guān)系．在這一對抗關(guān)系中,Alice/Bob希望盡可能多地透過無線通信區(qū)域R不被Willie發(fā)現(xiàn)來傳輸信息;Willie希望盡可能多地利用關(guān)于信道和Alice/Bob通信機(jī)制的先驗(yàn)知識,并以盡可能高的準(zhǔn)確率判斷信號是否存在隱蔽通信．

信息隱藏函數(shù)H一般有三種典型算子,分別為替換算子Sub、疊加算子Add和轉(zhuǎn)換算子Con．其中,Sub算子將m通過某種轉(zhuǎn)換編碼得到的值v替換x或其某種變換的分量；Add算子將m通過某種轉(zhuǎn)換編碼得到的值v疊加到x或其某種變換量上,Sub和Add操作不應(yīng)該引起x在形式、語法、語義、統(tǒng)計(jì)等特征上的明顯差異(這些差異通常是函數(shù)Det的檢測依據(jù));Con算子直接將m通過某種轉(zhuǎn)換形式,轉(zhuǎn)換為與x在形式、語法、語義、統(tǒng)計(jì)等特征上一致或相近的信號．

信息提取函數(shù)E代表與H配合使用的信息提取過程.函數(shù)E通常需要利用一些用于提取信息的先驗(yàn)信息,包括H函數(shù)中使用的密鑰、載體x的全部信息或部分信息,以及關(guān)于信道的假設(shè)或估計(jì)等．

需要指出的是:圖2給出的是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型,僅涉及Alice、Bob和Willie三個(gè)角色．在這一標(biāo)準(zhǔn)模型中增加新的角色可以得到其他的擴(kuò)展模型．如在通信場景中增加干擾器Jammer的輔助通信場景,在Alice和Bob之間增加一個(gè)或者多個(gè)Relay的中繼通信場景,包含一個(gè)Alice和多個(gè)Bob的多播或廣播通信場景,同時(shí)有多個(gè)Alice和Bob傳輸?shù)亩噍斎攵噍敵鐾ㄐ艌鼍?或具有多個(gè)空間上不同位置的Willie的場景等．此外,這些通信場景還可以進(jìn)一步組合得到更為復(fù)雜的通信場景,如具有加擾器的中繼通信場景和廣播通信場景等．

1.2 能力要素

無線隱蔽通信主要涉及隱蔽性、可靠性和通信速率三個(gè)主要能力要素,下面簡單對其內(nèi)涵進(jìn)行解釋．

1)隱蔽性

隱蔽性廣義上包括信號隱蔽性和行為隱蔽性．行為隱蔽性涉及通信場景、通信參與者、通信時(shí)機(jī)、載體選擇等要素,屬于無線隱蔽通信運(yùn)用層面的問題;信號隱蔽性是在使用層面具體描述隱蔽通信信號和正常載體信號之間區(qū)分度的評估要素,技術(shù)上可以用某種檢測方法的檢測錯(cuò)誤率來衡量其隱蔽性．

2)可靠性

可靠性指無線隱蔽通信抵抗信道干擾的能力．信道干擾可能來自于信道自然衰落,也可能來自于通信對抗干擾設(shè)備．技術(shù)上可以用給定信噪比下接收方信息的誤比特率來衡量通信的可靠性．在越強(qiáng)的信道干擾下,信息誤比特率越低,則可靠性越強(qiáng)．

3)通信速率

隱蔽通信速率指單位時(shí)間無線隱蔽通信可靠傳輸?shù)男畔⒈忍財(cái)?shù),與可靠性之間存在制約關(guān)系．為了達(dá)到更好的可靠性,有時(shí)需要降低隱蔽通信速率．通信速率可以通過計(jì)算平均每單元數(shù)據(jù)幀/符號/信號攜帶的秘密消息比特?cái)?shù)來衡量．

除了上述三個(gè)要素之外,無線隱蔽通信系統(tǒng)還涉及載體廣泛性、方案可實(shí)施性、通信計(jì)算復(fù)雜性等能力要素．

2 鏈路層無線隱蔽通信

2.1 WLAN無線隱蔽通信方法

當(dāng)前廣泛使用的WLAN協(xié)議(即IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn))可為無線隱蔽通信提供良好的載體．文獻(xiàn)[7]提出了一種基于WLAN的無線隱蔽信道,其在802.11協(xié)議MAC層幀的序列控制域,或在WEB加密安全協(xié)議幀的初始矢量域中嵌入信息．文獻(xiàn)[9-10]提出了一種在WLAN幀填充部分嵌入信息的WiPad方法,并給出了數(shù)據(jù)幀與應(yīng)答幀的隱蔽傳輸速率．針對802.11各協(xié)議,也有許多具體的研究成果．如基于802.11e協(xié)議,文獻(xiàn)[58]設(shè)計(jì)了兩種無線隱蔽通信方法,信息分別嵌入在關(guān)聯(lián)請求與重新關(guān)聯(lián)請求幀的QoS容量字段和每個(gè)數(shù)據(jù)幀QoS控制域中的TXOP和TID字段中．

2.2 LTE無線隱蔽通信方法

4G移動通信的普及使得LTE成為主流的無線通信協(xié)議之一,利用LTE協(xié)議的MAC、RLC和PDCP層的冗余可實(shí)施隱蔽通信．文獻(xiàn)[8]給出了一種在LTE-A協(xié)議冗余字段嵌入信息的方法,信息可以嵌入在MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(Protocol Data Unit,PDU)子幀報(bào)頭前兩保留位、RLC層的應(yīng)答模式和未確認(rèn)模式PDU的序列號保留位,以及PDCP層的PDU序列號保留位中進(jìn)行傳輸．文獻(xiàn)[11]提出的LaTEsteg是利用LTE-A協(xié)議中MAC層數(shù)據(jù)包的填充字段嵌入信息．文獻(xiàn)[12]提出了一種基于LTE-A協(xié)議的方法,通過修改每個(gè)PDU的序號保留位來標(biāo)示是否載密,并填充字段用來傳輸信息．文獻(xiàn)[13]提出的SNsteg通過修改LTE-A中RLC和PDCP數(shù)據(jù)包包頭中的序列號來傳輸信息,該方法利用了PDU序號的唯一性,如果某一PDU與新接收到PDU的序列號相同,則系統(tǒng)將丟棄新的PDU．SNsteg信息以序號的最低位來表示．當(dāng)連續(xù)發(fā)送兩個(gè)PDU時(shí),假設(shè)一個(gè)PDU 序號的最后一位是“0”(標(biāo)記為“0”PDU),另外一個(gè)PDU序號的最后一位是“1”(標(biāo)記為“1”PDU)．若要發(fā)送隱蔽信息“0”,可以在上述的“0”PDU和“1”PDU之間插入一個(gè)“0”PDU．反之,若要發(fā)送隱蔽信息“1”,則插入一個(gè)“1”PDU．由于系統(tǒng)將丟棄具有相同序號的新的PDU,所以非授權(quán)接收方不能得到隱藏位,且不影響正常通信,具有很好的抗檢測性能．

文獻(xiàn)[14]提出了一種利用LTE上MAC層協(xié)議字段與數(shù)據(jù)包時(shí)延一起構(gòu)建的混合隱蔽通信方案．相較于單純的時(shí)間式網(wǎng)絡(luò)隱蔽通信,該方案的隱蔽性與可靠性都得到了有效提高．另一種混合隱蔽通信方案HyLTEsteg是將SNsteg與時(shí)間式網(wǎng)絡(luò)隱蔽通信結(jié)合,其中時(shí)間式網(wǎng)絡(luò)隱蔽通信方案起著隱蔽傳輸?shù)挠|發(fā)功能,而SNsteg負(fù)責(zé)傳輸信息[15]．

2.3 鏈路層方法隱蔽性分析

鏈路層協(xié)議及其具體實(shí)現(xiàn)具有明顯的規(guī)律性,這使得絕大多數(shù)鏈路層無線隱蔽通信方法都難以抵抗針對性的模式匹配或統(tǒng)計(jì)檢測．文獻(xiàn)[16-17]針對多種802.11協(xié)議無線隱蔽通信利用的協(xié)議字段特征,設(shè)計(jì)了模式匹配檢測方法,可實(shí)現(xiàn)有效檢測．針對隱蔽性較好的SNsteg[13],文獻(xiàn)[18]和文獻(xiàn)[19]分別提出了一種基于鄰近序列號差值的修正條件熵檢測方法和一種基于KNN分類器的檢測方法．針對鏈路層無線隱蔽通信,可進(jìn)一步借鑒針對協(xié)議層面的網(wǎng)絡(luò)隱蔽信道的檢測機(jī)制,設(shè)計(jì)基于規(guī)則集的鏈路層隱蔽通信檢測體系．

3 物理層無線隱蔽通信

3.1 編碼層無線隱蔽通信方法

編碼層采用糾錯(cuò)編碼技術(shù)引入比特冗余來提高傳輸可靠性,糾錯(cuò)編碼產(chǎn)生的比特冗余可以用來實(shí)施信息隱藏．文獻(xiàn)[20]研究了利用常見的分組碼、卷積碼等糾錯(cuò)編碼冗余的隱蔽通信容量問題．理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,信息可嵌入容量隨信道噪聲增大而減小,最大嵌入容量隨信源數(shù)據(jù)和信道編碼糾錯(cuò)能力的增加而增加．同等條件下基于卷積碼的隱蔽通信最大嵌入容量大于基于分組碼的隱蔽通信最大嵌入容量．這類利用編碼糾錯(cuò)能力冗余構(gòu)建的隱蔽信道具有廣泛的適用性．

在無線個(gè)域網(wǎng)(Wireless Personal Area Network,WPAN)的802.15.4物理層協(xié)議中,4 bit信息符號被映射成32 bit直接序列擴(kuò)頻碼字序列,具有可供利用的編碼冗余．文獻(xiàn)[21]通過翻轉(zhuǎn)802.15.4物理層協(xié)議中的直接序列擴(kuò)頻碼字位數(shù)來嵌入信息．文獻(xiàn)[22]通過替換該協(xié)議物理層中的直接序列擴(kuò)頻碼字位數(shù)來嵌入信息．值得指出的是:隨著嵌入信息量的增大,以上兩種方法對直接序列擴(kuò)頻碼字的固定位進(jìn)行修改均會導(dǎo)致采用部分?jǐn)U頻序列的載體信息的誤碼率顯著增加．文獻(xiàn)[23]通過隨機(jī)置亂直接序列擴(kuò)頻碼字修改位,來避免由于嵌入信息量較大而導(dǎo)致的誤比特率顯著增加問題．文獻(xiàn)[24]提出了一種修改無線傳感網(wǎng)絡(luò)中直接序列擴(kuò)頻碼字來傳輸信息的方法．

文獻(xiàn)[25]研究了兩種基于RS碼冗余的自適應(yīng)碼率無線隱蔽通信理論問題,分別討論了正常通信選取不同編碼方案下信息的平均理論容量以及每種編碼方案下信息最大理論容量．二進(jìn)制對稱信道下的仿真結(jié)果表明:這兩種基于RS碼冗余的無線隱蔽通信方案容量均好于基于分組碼與卷積碼的方案．針對WiMAX協(xié)議,文獻(xiàn)[26]也提出了一種通過修改RS碼碼字比特嵌入秘密信息的方法．針對具有自適應(yīng)可變碼率的協(xié)議,文獻(xiàn)[27]提出的無線隱蔽通信方案利用低速率編碼的校驗(yàn)位來傳輸信息．

目前尚無專門針對編碼層無線隱蔽通信的檢測方案,部分針對基于802.15.4物理層協(xié)議的無線隱蔽通信方案的文獻(xiàn)中以載密直接序列擴(kuò)頻碼字與正常直接序列擴(kuò)頻碼字之間的漢明距離來衡量這類方法的隱蔽性．文獻(xiàn)[23]證實(shí)了降低碼字漢明距離可以降低對正常通信誤碼率的影響,提高隱蔽通信的抗檢測能力,但會帶來隱蔽通信可靠性的降低．在信道狀態(tài)確知的場景中,誤碼率和誤碼圖樣可能會成為揭示是否存在隱蔽通信的指標(biāo),有待進(jìn)一步深入研究．

3.2 調(diào)制層無線隱蔽通信方法

多載波調(diào)制的正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技術(shù)已在WLAN、LTE等主流通信協(xié)議中得到廣泛應(yīng)用．OFDM信號調(diào)制過程中通過給每個(gè)符號添加循環(huán)前綴來抵抗多徑延時(shí),從而保證符號周期完整．文獻(xiàn)[28]提出了一種基于循環(huán)前綴的無線隱蔽通信方法,利用802.11協(xié)議中符號循環(huán)前綴實(shí)現(xiàn)了高速率的無線隱蔽通信．這種方法隨后被推廣到所有采用OFDM通信系統(tǒng)中[29]．顯而易見的是OFDM符號循環(huán)前綴來嵌入信息的隱蔽通信方法會降低通信抗多徑延時(shí)可靠性．

OFDM系統(tǒng)的部分子載波頻段一般被預(yù)留作為信道間隔或進(jìn)行收發(fā)雙方同步,有時(shí)由于信道響應(yīng)較差而放棄使用．這些未被使用的子載波頻段資源也可用來構(gòu)建獨(dú)立的隱蔽信道[30]．發(fā)送方利用空置子載波頻段可向接收方傳輸信息的方法依賴無線通信環(huán)境中存在未被使用的子載波頻段,對空置子載波的利用會導(dǎo)致OFDM信號的正交性受影響．針對該問題,文獻(xiàn)[31]中提出了一種基于認(rèn)知無線電進(jìn)行頻譜感知來得到未用頻段信息的方法,并采用跳頻技術(shù)在空置頻譜上傳輸信息．

文獻(xiàn)[59]設(shè)計(jì)了針對802.11a/g的四種隱蔽通信方法,其構(gòu)造原理分別為:修改短訓(xùn)練序列的相位、修改載波頻率偏移量、通信協(xié)議偽裝以獲取額外的子載波頻段以及替換部分循環(huán)前綴．在修改短訓(xùn)練序列相位的方法中,發(fā)送方通過修改短訓(xùn)練序列的相位值嵌入信息,接收方通過長訓(xùn)練序列得到信道參數(shù),通過提取短訓(xùn)練序列的相位偏移得到信息;在修改載波頻率的偏移的方法中,發(fā)送方通過修改載波頻率偏移嵌入信息,接收方通過導(dǎo)頻信息估計(jì)頻率偏移得到信息;在通信協(xié)議偽裝的方法中,發(fā)送方將802.11a/g信號偽裝成802.11n信號,使得可用子載波數(shù)由52增加到56,利用額外的四個(gè)子載波進(jìn)行隱蔽信息傳輸,回避了文獻(xiàn)[30]方法存在的信號正交性受影響問題;替換部分循環(huán)前綴的方法是在文獻(xiàn)[28-29]方法的基礎(chǔ)上提出的,發(fā)送方通過替換一半乃至1/4的循環(huán)前綴嵌入信息,降低了信息嵌入對正常通信抵抗多徑延時(shí)能力的影響．

目前較少見專門針對該層級隱蔽通信的檢測工作．文獻(xiàn)[17]借鑒了網(wǎng)絡(luò)隱蔽信道中常用的檢測方法,給出了在不同場景下的檢測結(jié)果,檢測結(jié)果表明,當(dāng)檢測點(diǎn)的位置接近發(fā)送方,基于短訓(xùn)練序列的相位修改、載波頻率偏移修改和循環(huán)前綴修改的調(diào)制層隱蔽信道易被數(shù)值統(tǒng)計(jì)方法檢測出來．在隱蔽性分析方面,文獻(xiàn)[59]中以載體信息的誤比特率來衡量物理層之上的隱蔽性,以相位誤差、頻率偏移量、頻譜等信號分析指標(biāo)來衡量物理層的隱蔽性．

3.3 信號層無線隱蔽通信

信號層方法將信息調(diào)制為與信道噪聲相似的信號來實(shí)現(xiàn)隱蔽通信,其本質(zhì)上是一類LPD通信問題[32],其將通信信號淹埋在背景噪聲中的做法也可以歸結(jié)為噪聲式無線隱蔽通信,相關(guān)的研究內(nèi)容主要包含噪聲式隱蔽信道理論容量分析和實(shí)際通信方法設(shè)計(jì)等．

3.3.1 噪聲式隱蔽信道容量分析

噪聲式無線隱蔽信道作為一種附帶了隱蔽性要求的新型信道,當(dāng)前取得的理論成果豐富了信息論的研究范疇,已逐步發(fā)展成為一個(gè)相對獨(dú)立的信息論分支領(lǐng)域．信道容量的研究主要包括標(biāo)準(zhǔn)通信場景(標(biāo)準(zhǔn)模型僅包括Alice、Bob和Willie三個(gè)參與方)、輔助通信場景(在標(biāo)準(zhǔn)模型中增加了Jammer干擾器角色)、中繼通信場景(在標(biāo)準(zhǔn)模型中增加了Relay中繼器角色)，以及其他通信場景(MIMO、廣播通信、非高斯信道衰落等形式)等．下面分別介紹相關(guān)研究結(jié)果．

1)標(biāo)準(zhǔn)通信場景

2)輔助通信場景

3)中繼通信場景

4)其他通信場景

通信速率分析的研究還被進(jìn)一步拓展到無線中繼網(wǎng)絡(luò)、MIMO和廣播通信等其他通信場景中．文獻(xiàn)[46]假設(shè)Willie不清楚各路徑噪聲功率,MIMO場景對應(yīng)的理論隱蔽通信速率為正值．MIMO場景下的高斯信道中,當(dāng)天線數(shù)與時(shí)頻資源數(shù)量有限時(shí),平方根定律依舊成立[47]．文獻(xiàn)[48-49]分析了離散無記憶廣播場景下的無線隱蔽信道速率．文獻(xiàn)[76]討論了存在多個(gè)接收者的場景中,發(fā)送方采取時(shí)分復(fù)用通信方式能取得更好地隱蔽通信速率的比例系數(shù)．進(jìn)一步地,當(dāng)信道時(shí)頻資源有限時(shí),隱蔽傳輸速率隨信道時(shí)頻資源數(shù)量的增加而變大[77-78]．

分組衰落信道[79]、無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)[80]、IOT網(wǎng)絡(luò)[81]、慢衰落信道[82]、連續(xù)時(shí)間無限帶寬的泊松信道[83]、連續(xù)時(shí)間無限帶寬的高斯信道[84]、存在主動檢測方[85]、多天線系統(tǒng)[86]以及后向散射通信系統(tǒng)[87]等情形下的理論隱蔽通信速率也得到了相應(yīng)的研究．

3.3.2 信號層無線隱蔽通信方法

基于實(shí)際的無線電對抗情景,噪聲式無線隱蔽通信方法通常假定Willie僅知道信道噪聲的分布類型而不知道具體功率．為避免對正常通信的調(diào)制解調(diào)造成明顯的影響,載密噪聲的功率一般設(shè)置得較?。缙诘脑肼暿綗o線隱蔽信道將信息嵌入在一段噪聲序列的特征參數(shù)中．對于部分通信場景,信道噪聲具有顯著的尖峰脈沖特性,此時(shí)可以使用α穩(wěn)定分布的載密噪聲信號來攜帶信息．文獻(xiàn)[50]提出了一種將信息嵌入到脈沖特征參數(shù)α中的無線隱蔽通信方法,Alice將信息編碼為具備不同脈沖特征參數(shù)α的噪聲序列,Bob通過估計(jì)脈沖特征參數(shù)α來提取信息．偏斜α穩(wěn)定分布的信號也被用來設(shè)計(jì)無線隱蔽通信方法[51],Alice將信息比特生成具有相反偏斜參數(shù)β的噪聲序列,使最終產(chǎn)生的噪聲序列是無偏的,Bob通過估計(jì)偏斜參數(shù)β來提取信息．文獻(xiàn)[53]分析了同步誤差時(shí)對隱蔽通信可靠性的削弱作用,文獻(xiàn)[88]針對該問題設(shè)計(jì)了導(dǎo)頻輔助的同步算法,通過計(jì)算分?jǐn)?shù)低階協(xié)方差相關(guān)來實(shí)現(xiàn)同步,提高了隱蔽信道的可靠性.文獻(xiàn)[89]優(yōu)化了接收端的分?jǐn)?shù)低階協(xié)方差相關(guān)器,進(jìn)一步提高了通信的可靠性．文獻(xiàn)[90]提出了一種基于修正極值法的隱蔽通信方法,相較于傳統(tǒng)參數(shù)估計(jì)器,該方法能夠快速提取信息．高斯噪聲序列也被用于設(shè)計(jì)無線隱蔽通信方法.文獻(xiàn)[52]提出了一種通過修改連續(xù)高斯序列的相關(guān)系數(shù)來嵌入信息的方法．

疊加噪聲與正常噪聲差異使得基于噪聲疊加的方法存在隱蔽性缺陷,引入隨機(jī)噪聲可一定程度地增強(qiáng)隱蔽性．典型的“污染星座圖”方法即通過對擴(kuò)展星座圖進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、混合隨機(jī)噪聲等操作來增加隱蔽性[55]．文獻(xiàn)[54]提出了一種基于信號復(fù)用的無線隱蔽通信方法,該方法通過在信號中疊加隨機(jī)噪聲來增強(qiáng)隱蔽性,并利用直接序列擴(kuò)頻來提高傳輸可靠性．這種方法被進(jìn)一步拓展到MIMO場景,并可根據(jù)路徑特征值選擇在信道衰落較小的路徑上傳輸[91]．文獻(xiàn)[92]提出了一種在MIMO場景下通過同時(shí)修改控制信道與數(shù)據(jù)信道信號的無線隱蔽通信方法．引入隨機(jī)噪聲的機(jī)制需要額外的共享映射序列帶寬和隨機(jī)噪聲額外功率的局限性[17].文獻(xiàn)[56]提出了一種將信息直接調(diào)制成噪聲信號并疊加到正常信號的方法,該方法根據(jù)參考信道噪聲,通過星座圖擬形調(diào)制直接將信息調(diào)制成與參考噪聲統(tǒng)計(jì)分布相同的載密噪聲信號,并直接疊加到載體信號上生成載密信號．

3.3.3 信號層方法隱蔽性分析

目前尚無專門針對噪聲式無線隱蔽通信的檢測工作,部分隱蔽通信方法設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)中提及了一些衡量隱蔽性的指標(biāo)．如文獻(xiàn)[55]中,采用頻域信號的誤差矢量幅度、同向和正交方向分量、幅值以及相位、時(shí)域信號的功率時(shí)變特性和峰均比等信號分析特征來衡量隱蔽性,通過各特征是否在正常波動范圍內(nèi)取值,判斷“星座圖污染”方法的隱蔽性．文獻(xiàn)[54]將去除了載體信號成分的殘差信號作為檢測分析對象,利用殘差信號的峰度值、帶內(nèi)功率比以及分布不重疊值來衡量所提方案的隱蔽性．文獻(xiàn)[56]以殘差信號與正常信道噪聲的KS距離以及殘差信號的規(guī)則度來衡量所提方案的隱蔽性．

4 研究展望

無線隱蔽通信是無線通信與信息隱藏的交叉研究領(lǐng)域,這兩個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展必然會進(jìn)一步推動無線隱蔽通信的發(fā)展．該領(lǐng)域經(jīng)過近些年的研究產(chǎn)生了諸如噪聲式無線隱蔽信道理論與方法、編碼和調(diào)制冗余分析和利用等具有相對獨(dú)立內(nèi)涵的方向,針對無線隱蔽通信檢測技術(shù)的研究也剛剛起步．總體來說,無線隱蔽通信仍有許多需要進(jìn)一步深入解決和值得探索的新問題．

1)在鏈路層隱蔽通信方法設(shè)計(jì)方面,已經(jīng)出現(xiàn)了一些鏈路層無線隱蔽通信混合時(shí)間式網(wǎng)絡(luò)隱蔽信道的方法,進(jìn)一步探討鏈路層無線隱蔽通信混合網(wǎng)絡(luò)隱蔽信道和物理層隱蔽通信的方法,并發(fā)展混合信道的協(xié)作方式會是一個(gè)潛在的研究方向．此外,隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展和推廣使用,諸如802.11ax和5G以及物聯(lián)網(wǎng)無線通信領(lǐng)域即將發(fā)展成為事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的NB-IoT和LoRa等將會很快成為實(shí)用的通信標(biāo)準(zhǔn)．這些新通信標(biāo)準(zhǔn)涉及的鏈路層、編碼和調(diào)制層的冗余和信號形式將會啟發(fā)研究人員提出新的無線隱蔽通信方法．

2)噪聲式無線隱蔽信道容量在多種典型通信場景中已有許多理論成果．隱蔽通信速率的SRL定律已經(jīng)在多種通信場景和信道模型中得到證明．關(guān)于噪聲不確定性、信道不確定性和人工輔助噪聲不確定性帶來的突破SRL界的新結(jié)論還在逐漸完善中并仍然有許多新場景、組合場景和不同信道條件的工作需要進(jìn)一步開展,尤其是拓展到有限塊長域的一些理論結(jié)果還剛剛起步．此外,從理論分析的角度,帶干擾的主動式Willie和Alice之間的博弈建模和優(yōu)化策略等問題也有待深入研究．

3)噪聲式無線隱蔽通信采用將信息轉(zhuǎn)化為噪聲后與載體進(jìn)行疊加的形式,在實(shí)際通信方案設(shè)計(jì)過程面臨的主要問題依然是低功率條件下的通信可靠性提高的問題,這涉及到波形、碼字、編碼、信道估計(jì)和補(bǔ)償?shù)确矫娴脑O(shè)計(jì)和優(yōu)化,當(dāng)前這方面的研究還非常有限．此外,實(shí)際通信方案還涉及隱蔽密鑰交換、遠(yuǎn)距離中繼節(jié)點(diǎn)傳續(xù)方案等一系列技術(shù)問題也有待開展．

4)基于噪聲信號的統(tǒng)計(jì)分布差異的假設(shè)檢驗(yàn)是當(dāng)前理論分析過程中常采用的隱蔽通信檢測機(jī)制,然而針對具體噪聲式隱蔽通信系統(tǒng)(如星座調(diào)制類、噪聲模擬類等)檢測的研究才剛剛起步．初步的研究表明基于隱蔽通信信號殘差的統(tǒng)計(jì)特征能夠?qū)崿F(xiàn)較好的檢測效果,然而這種方法依賴參考信號的選取,因此需要對參考信號模型進(jìn)行精準(zhǔn)建模,這在信道環(huán)境復(fù)雜的實(shí)際通信環(huán)境中是困難的．尚需研究不依賴具體參考信號的通用檢測方法,以及可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)隱蔽通信參數(shù)(如通信波形、通信速率等)估計(jì)的方法．此外,當(dāng)在空間中可設(shè)置不同位置的多個(gè)檢測器時(shí),且針對有否干擾器的場景,如何利用多個(gè)檢測器信號進(jìn)行協(xié)同檢測也是非常值得研究的問題．

5 結(jié)束語

無線隱蔽通信的研究方興未艾,本文從網(wǎng)絡(luò)通信和信息隱藏領(lǐng)域交叉的角度界定了無線隱蔽通信的研究范疇,對無線隱蔽通信的系統(tǒng)模型和主要能力要素進(jìn)行了分析,總結(jié)并歸納了鏈路層和物理層無線隱蔽通信的理論與技術(shù)進(jìn)展,具體涵蓋了噪聲式隱蔽信道容量的理論分析以及鏈路層、編碼層、調(diào)制層和信號層中的無線隱蔽通信方法．論文最后分析并指出了需要進(jìn)一步研究的問題．