CC BY
113
Способ синхронизации в стегосистемах
Ключевые слова: стегосистемы, радиочастотный спектр, синхронизация, дискретная линейная частотная модуляция, синхросигнал.
Применение скрытной передачи информации — один из эффективных путей защиты передаваемых данных. Методы цифровой стеганографии позволяют осуществлять не только защиту передаваемых данных, но и отслеживать распространение информации по сетям связи. Одна из основных проблем в таких системах — определение начала скрытого сообщения в потоковом контейнере. Рассматривается способ выделения сигнала синхронизации в непрерывном потоке данных системы передачи цифровой информации в звуковых каналах радиовещания и телефонных каналах, позволяющий осуществить передачу стегосигнала в любую вещательную зону. В рассматриваемой системе применяется метод, так называемой, безальтернативной стеганографии, т.к. отсутствует возможность выбора контейнера, при этом величина потока контейнера является достаточной для передачи сообщения. Алгоритм встраивания скрытой информации основывается на методе расширения спектра с использованием линейной частотной модуляции поднесущей частоты, расположенной в спектре звукового сигнала. Рассмотрен оптимальный способ выбора вида синхросигнала, при использовании которого его выделение не зависит от времени появления в приемном устройстве. Использование цифровых сигнальных процессоров обеспечивает гибкое управление посылкой синхросигнала на передающей стороне с включением в него идентификатора абонента. Предлагаемый способ реализован на цифровом сигнальном процессоре фирмы Analog Devices.
Тихомиров А.В.,
старший преподаватель кафедры 'Телекоммуникационные системы", Национальный исследовательский университет "МИЭТ", [email protected]
Омельянчук Е.В.,
ведущий инженер-электроник кафедры 'Телекоммуникационные системы", Национальный исследовательский университет "МИЭТ1, [email protected]
Тимофеева О.П.,
ведущий инженер-электроник кафедры 'Телекоммуникационные системы", Национальный исследовательский университет, "МИЭT'[email protected]
Развитие и совершенствование техники связи во многом определяется наличием свободных для использования частот. Проблема доступа к радиочастотному спектру в нашей стране существовала всегда, однако в последние годы она приняла особенно острый характер. Крайне низкая доля РЧС, отведенная для реализации технологий гражданского применения в наиболее освоенной части спектра и стремительное проникновение инфокоммуникационных технологий породили дефицит радиочастотного ресурса [1]. Необходимость более эффективного использования РЧС, например, путем временного и частотного уплотнения каналов способствовала появлению систем передачи данных, основанных на принципах уплотнения радиовещания. Такие системы реализуются на базе существующих сетей телерадиовещания, что позволяет значительно снизить эксплуатационные затраты, уменьшить срок их развертывания и сократить период окупаемости вложенных средств. Одновременно повышается эффективность использования передатчиков — имеющийся частотный ресурс может использоваться для передачи дополнительной цифровой информации по каналам телерадиовещания. Дополнительная информация передается с использованием поднесу-щих частот и размещается в спектре радиовещательного сигнала таким образом, чтобы не оказывать влияния на качество основного ве-
щательного сигнала и на сигналы соседних каналов других радиостанций [2]. Реализовать скрытую передачу информации позволяет применение методов стеганографии. Несмотря на то, что способы сокрытия самого факта передачи сообщений известны еще с древности, современная стеганография — развивающееся направление науки. Методы стеганографии позволяют не только скрытно передавать данные, но и решать задачи помехоустойчивой аутентификации, защиты информации от несанкционированного копирования, отслеживания распространения информации по сетям связи, поиска информации в мультимедийных базах данных [3]. В конце 90-х годов выделилось несколько направлений стеганографии:
• классическая стеганография
• компьютерная стеганография — направление классической стеганографии, основанное на особенностях компьютерной платформы: скрытие данных в неиспользуемых областях форматов файлов, подмена символов в названиях файлов, текстовая стеганография и т. д.
• цифровая стеганография — направление классической стеганографии, основанное на сокрытии или внедрении дополнительной информации в цифровые объекты, вызывая при этом некоторые искажения этих объектов [4].
В 1996 году на конференции Information Hiding: First Information Workshop было предложено использовать единую терминологию, и определены основные понятия стеганографии: контейнер — любая информация, предназначенная для сокрытия тайных сообщений, встроенное (скрытое) сообщение — сообщение, встраиваемое в контейнер [5].
Методы цифровой стеганографии предполагают передачу скрытой информации с использованием контейнеров фиксированной длины и передачу скрытой информации в непрерывном сигнале, т.е. с использованием непрерывного (потокового) контейнера. Эта область стеганографии тесно граничит с широкополосной связью, т.к. в качестве потокового контейнера могут использоваться звуковые каналы радиовещания, телевидения или телефонные каналы, а для встраивания сообщений используются методы расширения спектра.
В данной статье рассматривается способ обеспечения синхронизации системы передачи цифровой информации в звуковых кана-
лах радиовещания и телефонных каналах, позволяющей осуществить скрытную передачу сигнала дополнительной информации в любою вещательную зону. Для передачи скрытой информации используется непрерывная линейная частотная модуляция поднесущей частоты, расположенной в спектре звукового сигнала, при этом дополнительная информация размещается в спектре звукового сигнала таким образом, чтобы не оказывать влияния на качество основного звукового сигнала. Система реализована для стандартного звукового канала с полосой частот до 1О кГц и может использоваться практически повсеместно.
Взаимное расположение спектров контейнера и встроенного сообщения показано на рис. 1.
Наибольшую проблему представляет определение начала передачи скрытого сообщения. Контейнер является в данном случае потоковым, т.к. скрытая информация помещается в сигнал радиовещания.
Основное требование, которое предъявляется к каналу синхронизации, заключается в том, что сигнал синхронизации не должен нарушать скрытности системы передачи информации, т.е. не может быть сосредоточенным. При этом синхросигнал должен относительно легко выделяться на приемной стороне в любой, заранее не известный, момент времени, т.е. быть инвариантным ко времени прихода.
Выбор сигнально-кодовых конструкций. В работе был проведен анализ реализации синхросигнала для системы скрытой передачи информации. Был рассмотрен многочастотный сигнал, последовательность следования частот которого определяется взаимными помехами сигналов, применяемых для передачи логического "О" и
Рис. 1. Взаимное расположение спектров контейнера и встроенного сообщения.
"1", и определена оптимальная для данной задачи сигнально-кодовая конструкция. При выборе сигнально-кодовой конструкции необходимо стремиться к максимально возможной ортогональности сигналов "0" и "1", чтобы уровень боковых выбросов корреляционной функции был минимален. Основываясь на данных литературы [6], известно, при сдвиге последовательности друг относительно друга (скажем, "0" относительно "1") сумма всех совпадений будет равна количеству элементов в последовательности, т.к. каждое i принадлежащее {1,2, ...n}, где n — количество используемых частот (в рассматриваемой системе n = 50) рассматриваемое как элемент подстановки "1" совпадает ровно с одним из элементов подстановки "0", поэтому каждое i при всех возможных циклических сдвигах подстановки "1" будет давать ровно одно совпадение. На основании анализа было установлено, что предъявляемым требованиям удовлетворяет такая сигнально-кодовая конструкция, при которой порядок следования частот изменяется по линейному закону, что соответствует сигналу дискретной ЛЧМ. Если n велико, информационный сигнал и сигнал синхронизации практически идентичны во временной и частотной областях, что обеспечивает максимальную скрытность стегосистемы в целом.
Для двухпозиционной системы влияние линии выделения противоположного сигнала (например, линии выделения логической "1" на линию выделения логического "0"), то есть помеха от соседней линии, не превышает 1/n, где n — количество рабочих частот. При увеличении количества передаваемых информационных состояний, взаимное влияние каналов возрастает. В работе показано [6], что при увеличении количества рабочих частот величина взаимных помех пропорциональна 1/n.
Синхронизация. В широкополосных системах связи для успешной демодуляции принятого сигнала приемник должен обладать синхронизированной копией расширяющего сигнала (для систем с прямым расширением спектра) или кодового сигнала (для систем со скачкообразной перестройкой частоты). Процесс синхронизации проходит в два этапа. На первом этапе два сигнала приводятся в грубое соответствие друг другу (процесс первоначальной синхронизации). В ходе второго этапа обработки (этап сопровождения) с помощью контура обратной связи последовательно выбирается сигнал, наиболее точно соответствующий полученному. Общая особенность всех методов синхронизации — определение корреляции полученного и сгенерированного сигналов для создания меры их схожести. Эта мера сравнивается с пороговой величиной для определения, синхронны ли сигналы. Если сигналы синхронны, приемник переходит к этапу сопровождения, в противном случае вновь осуществляется поиск во временной и частотной областях, после чего проверятся корреляция [7].
Так как выбранные сигнально-кодовые конструкции относятся к классу сигналов со скачкообразной перестройкой частоты, схема
Принятый
сигнал
ПФ, кд, ЛЗ, +
КДг ЛЗг
ПФп КДп Л3„
Выход
Рис. 3. Получение синхронизации для системы связи со скачкообразной перестройкой частоты
Зависимость коэффициента к от вероятности ложной тревоги Р
синхронизации для такой системы соответствует рис. 3 [7]. В такой системе в качестве шаблона синхронизации используется последовательность из п частот (в данной работе используется п = 50), являющаяся частью последовательности скачков частоты. Для первичной обработки используется п некогерентных согласованных фильтров, каждый из которых включает в себя полосовой фильтр ПФ и квадратичный детектор огибающей КД. Времена задержки фильтров выбираются таким образом, чтобы при появлении искомой серии скачков частоты выходной сигнал имел мощность, достаточную для выделения нужной последовательности. Процесс синхронизации происходит довольно быстро, т.к. все возможные отклонения кода анализируются одновременно.
Также широко применяется метод синхронизации путем последовательного поиска с использованием единичного согласованного фильтра. Последовательное повторение процедуры определения корреляции в цифровых системах связи возможно при помощи записи информационного блока в область памяти анализирующего устройства, в котором путем перестановок осуществляется поиск максимума корреляционной функции. Такой метод по сравнению с методом параллельного поиска позволяет уменьшить число согласованных фильтров и снизить сложность реализации системы синхронизации, но приводит к увеличению времени вхождения в синхронизм, а также снижает помехоустойчивость стегосистемы в целом.
Сравнительная оценка времени вхождения в синхронизм для различных методов поиска. При использовании метода параллельного поиска время вхождения в синхронизм Тс равно длительности одного символа т, которое в рассматриваемой системе составляет 10 мс. При использовании метода последовательного поиска Тс = т N1^, где N — количество рабочих частот, к — коэффициент, зависящий от формы корреляционного пика. Введение коэффициента к обусловлено необходимостью обеспечения большей точности по сравнению с использованием метода параллельного поиска. Из [8] известно, что в случае обнаружения сигнала со случайной начальной фазой при вероятности ложной тревоги Р = 10-9 вероятность правильного обнаружения уменьшается в 1,94 раза в точке, соответствующей уровню 0,9 от максимума корреляционной функции. Зависимость коэффициента к от вероятности ложной тревоги Р приведена в таблице 1.
Практическая реализация. Используя описанные структуры сигналов, была разработана модель и проведено моделирование с использованием САПР Ма1!аЬ/&ти!1пк. Модель системы синхронизации показана на рис. 4. Исходный двоичный цифровой сигнал кодируется последовательностью из п рабочих частот, передаваемых поочередно. Так как моделирование было проведено для звукового канала шириной 10 кГц, а количество частот выбрано равным 50, то расстояние между соседними частотами составляет 200 Гц. В при-
Передающая часть Рис. 4. Модель системы синхронизации
а)
б)
Рис. 5. Сигналы на выходах линий задержки в момент передачи логического "0" а) в ветви выделения логического "0", б) в ветви выделения логической "1".
емной части сигнал проходит через узкие полосовые фильтры, ширина полосы пропускания которых выбирается не уже, чем нестабильность частоты (10-5 от 10 кГц составляет 0,1 Гц). Схема синхронизации представляет собой реализацию метода выделения синхросигнала путем согласованной фильтрации на линиях задержки. Результаты моделирования представлены на рис. 5.
Предлагаемый способ был реализован на цифровом сигнальном процессоре фирмы Analog Devices. Использование цифровых сигнальных процессоров обеспечивает гибкое управление посылкой синхросигнала и позволяет включить в его заголовок идентификатор абонента.
ЛИТЕРАТУРА
1. Новиков ВА Концептуальный подход к конверсии РЧС в России // Электросвязь. — 2011. — № 10. — С.12-15.
2. Тихомиров А.В., Омельянчук Е.В., Торгоненко И.К. Об организации передачи цифровой информации в звуковых каналах радиовеща-
ния и телефонных каналах., Методы проектирования и защиты мобильных систем связи: Сборник научных трудов / под ред. В.В. Баринова. — М.: МИ-ЭТ, 2006 — 136 с.: ил. — С.45-52.
3. Грибунин В.Г., Оков И.Н., Туринцев И.В. — М.: СОЛОН-Пресс, 2002.
4. Генне О.В. Основные положения стеганографии, Защита информации. Конфидент. — №3. — 2000.
5. Pfitzmann B. Information Hiding Terminology, in Information Hiding, Springer Lecture Notes in Computer Science. — Vol. 1174. — 1996. — C.347-350.
6. Баринов В.В., Литвинов В.В., Кожухов И.Б. К выбору сигнально кодрвых конструкций для адаптивных мобильньх систем связи. — Естественные и технические науки, 2010. — №2. — C.356-364.
7. Скляр Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, 2-е издание.: Пер. с англ. — М.: Издательский дом "Вильямс", 2003. — 1104 с.: ил. — Парал. тит. англ.
8. Лёзин Ю.С. Введение в теорию и технику радиотехнических систем: Учеб. пособие для вузов. — М.: Радио и связь, 1986. — 280 с., ил.
SYNCHRONIZATION METHOD IN STEGOSYSTEMS
Tikhomirov AV., senior lecturer of the Telecommunication systems Department, National Research University of Electronic Technology, [email protected] Omelyanchuk E.V., senior electrical engineer of the Telecommunication systems Department, National Research University of Electronic Technology, [email protected] Timofeyeva O.P., senior electrical engineer of the Telecommunication systems Department, National Research University of Electronic Technology", [email protected]
Abstract: The use of information hiding is one of the most effective ways to protect transmitted data. Digital steganography techniques allow to protect transmitted data and to track the spread of information over communication networks. One of the main problems in such systems is the definition of the beginning of a hidden message in the stream container.
This article discusses the method of extraction of the clock signal in a continuous data stream of digital data transmission channels of sound radio and telephone channels, allowing to transfer stegosignal to any broadcast area. In this system is used the method of the so-called unopposed steganography as there is no choice of container, with the flux of the container is sufficient to send the message. The algorithm of embedding hidden information is based on the method of spread spectrum with linear frequency modulation of the subcarrier frequency, located in the spectrum of sound.
Considered the best way to choose the type of clock without dependence on the time of appearance in the receiver. Using digital signal processor provides flexible control by sending a clock signal at the transmitting side to include the caller ID. The proposed method is implemented on a digital signal processor "Analog Devices" company.
Keywords: stegosystems, radio spectrum, synchronization, discrete linear frequency modulation, synchrosignal.
