武漢理j = 人學碩士學位論文 摘要 多輸入多輸出( m i m o ) 技術(shù)在通信系統(tǒng)的頻譜利用率和信道容量方面性 能卓越，并有效地對抗無線信道衰落的影響，將成為第四代移動通信系統(tǒng)的關(guān) 鍵技術(shù)之一。m i m o 技術(shù)的采用促進了數(shù)字音頻、數(shù)字圖像、數(shù)字影像等多媒 體產(chǎn)品在無線通信領(lǐng)域的應用。與此同時，傳輸中的各種多媒體信息的版權(quán)問 題面臨著嚴峻的考驗。如何使m i m o 無線通信信道中多媒體信息安全地傳輸， 已成為非常緊迫的問題，也是本文的主要研究內(nèi)容。 本文將數(shù)字水印技術(shù)應用于m i m o 無線通信系統(tǒng)中，以實現(xiàn)對多媒體作品 版權(quán)的保護。仿真實驗結(jié)果得出這是一個可行并且有效地安全保護無線信道中 多媒體作品的方法。 本文首先對數(shù)字水印技術(shù)進行研究，采用混沌置亂和t u r b o 編碼的水印預 處理技術(shù)使數(shù)字水印具有自我檢錯能力，增強其魯棒性；而采用小波變換低頻 域的均值量化嵌入算法能使接收端實現(xiàn)數(shù)字水印的盲提取。然后對m i m o 系統(tǒng) 的幾種關(guān)鍵技術(shù)進行分析：信道容量方面，比較不同收發(fā)天線數(shù)目的通信系統(tǒng) 的信道增益，結(jié)果顯示多天線技術(shù)是信道容量增加的關(guān)鍵；無線信道衰落方面， 對瑞利衰落信道、萊斯衰落信道和天線相關(guān)信道分別進行分析，這三個信道都 對信道的增益產(chǎn)生了負面的影響：重點研究空時編碼技術(shù)，并仿真比較三種空 時編碼技術(shù)對抗各種衰落的性能，結(jié)果表明空時格型碼技術(shù)在三種信道中均是 性能最佳的空時編碼，得出多媒體產(chǎn)品在采用空時格型碼編譯碼的m i m o 系統(tǒng) 中傳輸能更好的保證信息的安全。最后將數(shù)字水印技術(shù)應用于m i m o 系統(tǒng)，整 個系統(tǒng)采用以上分析提出的方式，即水印采用t u r b o 編碼與均值量化嵌入相結(jié) 合的嵌入算法，m i m o 系統(tǒng)的建立采用空時格型碼技術(shù)，通過m a t l a b 平臺 的仿真實驗，在不同的無線信道中以及各種攻擊下，均可以得到不可見性和魯 棒性兼?zhèn)涞臄?shù)字水印，并且實現(xiàn)了接收端的盲提取。 文章采取的方案使在m i m o 無線信道中傳輸?shù)亩嗝襟w產(chǎn)品嵌有的版權(quán)信息 具有高魯棒性，同時兼顧了該版權(quán)信息的不可見性和提取的方便性，能夠適用 于第四代移動通信這樣開放的環(huán)境中對多媒體信息進行安全保護。 關(guān)鍵詞：數(shù)字水印，t u r b o 碼，m i m o ，無線衰落信道，空時格型碼 武漢理工人學碩士學何論文 a b s t r a c t m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ( m i m o ) s y s t e ma c h i e v e sh i g hp e r f o r m a n c e i n t h ea r e ao ff f e q u e n c ys p e c t r u mu s a g ea n dc h a n n e lc a p a c i t y , a n di te f f e c t i v e l ya g a i n s t t h ee f f e c to fw i r e l e s sf a d i n gc h a n n e l m i m os y s t e mh a sb e c o m et h em o s ts u p e r i o r a n di m p o r t a n tt e c h n o l o g yi nt h e4 t hg e n e r a t i o no fm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m b y u s i n gm i m ot e c h n o l o g y , t h ed i g i t a la u d i o s ，i m a g e sa n do t h e rm u l t i - m e d i ap r o d u c t s c a nb et r a n s f e r r e di nw i d e ra p p l i c a t i o nr a n g e m e a n w h i l e ，c o p y r i g h to rp a t e n to f t h o s em u l t i m e d i ai n f o r m a t i o nd u r i n gt h et r a n s a c t i o ni sf a c i n gc h a l l e n g e s t h i sp a p e r i sd r a w nt oe v a l u a t ea n da n a l y z et h es e c u r i t yi s s u et r a n s m i t t e db ym i m os y s t e m w h i c hh a sb e e np a i dag r e a ta t t e n t i o ni nm o d e r ns o c i e t y t h i sa r t i c l ef o c u s e so nt h ea p p l i c a t i o no fd i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yi n m i m os y s t e m ，s oa st oa c h i e v et h ec o p y r i g h tp r o t e c t i o no fm u l t i - m e d i aw o r k s t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tt h i si sa l la c h i e v e m e n tm e t h o da n de f f e c t i v e l ys e c u r e t h em u l t i m e d i ai nt h ew i r e l e s sc h a n n e l t h i sp a p e rf i r s t l yc o n c e n t r a t eo nt h es t u d yo fd i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g y , m a k i n gu s eo ft h eg o o dp e r f o r m a n c eo f t h ec h a o sa n dt u r b oc o d i n gt e c h n o l o g yw i t h s e l f - t e s t i n ga b i l i t yo fd i g i t a lw a t e r m a r k i n gs oa st oi n c r e a s et h er o b u s t n e s s i nt h i s a l g o r i t h m ，m e a nq u a n t i z a t i o no fl o w 吶u e n c yr a n g eb yd w t i su s e dt od e t e c tt h e d i g i t a lw a t e r m a r kw i t h o u to r i g i n a lh o s ti m a g e t h e ns t u d yo nt h ek e yt e c h n i q u eo f m i m os y s t e m ：c h a n n e lc a p a c i t y , b yc o m p a r i n gw i t ht h ec h a n n e lg a i ni nd i f f e r e n t n u m b e r so fa n t e n n as y s t e m ，t h er e s u l t ss h o wt h a tm i m os y s t e mi st h ek e yt o i n c r e a s ei n f o r m a t i o nc a p a b i l i t y ；i nt h ef a d i n go fw i r e l e s sc h a n n e l ，a n a l y s i si sd r a w n a tr a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l ，r i c ef a d i n gc h a n n e la n dc o h e r e n ta n t e n n ac h a n n e l ，e a c h f a d i n gc h a n n e lh a si n c r e a s et h es i d ee f f e c t so fc h a n n e lg a i n ；m u c ha t t e n t i o nh a s b e e n p a i do ns t c ，a n dt h es i m u l a t i o nc o m p a r et h r e es p a c ec o d i n gt e c h n o l o g yt oa g a i n s t t h ef a d eo fw i r e l e s sc h a n n e l t h er e s u l t ss h o w st h a ts t t cw o r k st h eb e s ta m o n ga l l o ft h e m ，a n db yu s i n gt h es t t ce n c o d i n ga n dd e c o d i n gd u r i n gt h et r a n s m i s s i o no f m i m oi se n h a n c et h ei n f o r m a t i o ns e c u r i t ys y s t e m f i n a l l yb yu s i n gt h ed i g i t a l w a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yi n t ot h em i m os y s t e m ，t h es y s t e ma c c o r d i n g t ot h ea b o v e a n a l y s i sw h i c hi se m b e d d i n gd i g i t a lw a t e r m a r k i n gb yt u r b oc o d ea n dm e a n i i 武漢理f ：人學碩十學位論文 q u a n t i z a t i o n ，m i m os y s t e m u s e s s t t c t h r o u g hm a t l a bp l a t f o r m ，t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a td i g i t a lw a t e r m a r k i n gw h i c hh a st r a n s m i t t e di nw i r e l e s s c h a n n e li sw e l li n v i s i b i l i t ya n ds t r o n gr o b u s t n e s ss oa st oa c h i e v et h eb l i n dd e t e c t i o n i nt h er e c e i v e ru n d e rd i f f e r e n tw i r e l e s sc h a n n e l sa n da t t a c k s 1 1 1 ea l g o r i t h mh a sp o i n t e do u tt h eh i g hr o b u s t n e s so fc o p y r i g h ti n f o r m a t i o n w h i c he m b e d d e di nm u l t i - m e d i ap r o d u c t sw h i l et r a n s m i t t i n gi nm i m oc h a n n e l ，a n d e n h a n c e dt h ei n v i s i b i l i t yo fw a t e r m a r k i n ga n de x t r a c t i n gc o n v e n i e n c e ，c a l lb eu s e di n t h e4 t hg e n e r a t i o no fm o b i l ec o m m u n i c a t i o ni nt h eo p e ne n v i r o n m e n ts oa st op r o t e c t t h em u l t i m e d i ai n f o r l y l a t i o n k e yw o r d ：d i g i t a lw a t e r m a r k i n g , t u r b oc o d e ，m i m o ，w i r e l e s sf a d i n gc h a n n e l ， s t t c i i i 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作 及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地 方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包 含為獲得武漢理工大學或其它教育機構(gòu)的學位或證書而使用過的材 料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作 了明確的說明并表示了謝意。 簽名：二啦日期：塑望：! 蘭：7 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解武漢理工大學有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定， 即學校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子 版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)武漢理工大學可以將本學位 論文的全部內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或 其他復制手段保存或匯編本學位論文。同時授權(quán)經(jīng)武漢理工大學認 可的國家有關(guān)機構(gòu)或論文數(shù)據(jù)庫使用或收錄本學位論文，并向社會 公眾提供信息服務(wù)。 ( 保密的論文在解密后應遵守此規(guī)定) 研究生( 簽名) ：、蠆翥孕導師( 簽名) ：坳期如、彳。，“7 武漢理工人學碩士學位論文 第1 章緒論 1 1 課題研究背景和意義 現(xiàn)今，第三代移動通信( 3 r dg e n e r a t i o n ，3 g ) 系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應用于大帶 寬高速度的無線通信領(lǐng)域。3 g 手機能同電腦一樣接入網(wǎng)絡(luò)瀏覽網(wǎng)頁、下載文件、 玩網(wǎng)絡(luò)游戲、甚至視頻聊天等等網(wǎng)上業(yè)務(wù)。緊接著將會出現(xiàn)的下一代移動通信 技術(shù)4 g ( 4 t hg e n e r a t i o n ) 將是一種傳輸速率更快、業(yè)務(wù)類型更全的無線通信技 術(shù)。阿爾卡特朗訊公司的c t o 奧利弗表示，3 g 會給用戶帶來幾兆的帶寬，而 4 g 能帶來1 0 0 兆以上的帶寬，可以享受高清視頻電視和各種多媒體應用，是移 動通信業(yè)的一場革命。 m i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ，多輸入多輸出) 技術(shù)被視為第四代 移動通信技術(shù)的重要組成部分，已經(jīng)受到通信界的強烈關(guān)注。它能充分利用空 間資源，在不增加系統(tǒng)帶寬和天線總發(fā)射功率的情況下，有效對抗無線信道衰 落的影響，大大提高系統(tǒng)的頻帶利用率和信道容量【l 】。日本n t t d o c o m o 公司 已經(jīng)通過4 4 和1 2 x 1 2 多天線m i m o 技術(shù)在1 0 0 m h z 帶寬下分別驗證了 1 g b i t s ( 室外試驗) 和5 g b i t s 的峰值傳輸速率【2 】。在如此大帶寬和傳輸速 率的信道上，數(shù)字多媒體產(chǎn)品( 如數(shù)字圖像、數(shù)字音頻、數(shù)字視頻等) 能 更快捷地傳輸，因此，4 g 時代將是數(shù)字多媒體信息與無線移動通信相結(jié)合 飛速發(fā)展的時代。同時，它也帶來了十分嚴重的問題多媒體版權(quán)安全 的問題。 一些不法分子惡意拷貝并且傳播有版權(quán)的數(shù)字產(chǎn)品，或者攻擊并篡改 信息傳輸中有意義的數(shù)據(jù)等等都給產(chǎn)品所有者帶來了經(jīng)濟上的巨大損失。 據(jù)美國唱片行業(yè)協(xié)會估計，全世界每年因盜版而造成的直接經(jīng)濟損失高達 5 0 億美元；美國電影行業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計估計，盜版使美國電影業(yè)的年收入減 少了2 5 億美元【3 】。因此，如何有效地保護數(shù)字多媒體產(chǎn)品版權(quán)和維護作者 的合法權(quán)益是產(chǎn)業(yè)界十分關(guān)注的問題。 數(shù)字水印技術(shù)將數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)信息嵌入產(chǎn)品文件中，但不會引起原 始產(chǎn)品文件的完整性和視覺上的改變。它與傳統(tǒng)的密碼技術(shù)相比，優(yōu)勢在 于它不僅能在信息從發(fā)送者到接收者的傳輸過程中進行數(shù)據(jù)的加密保護， 武漢理。r 人學碩十學位論文 還能幫助產(chǎn)品所有者跟蹤監(jiān)視合法接收者如何處理能夠使用的數(shù)據(jù)，這 樣，產(chǎn)品的合法用戶只能使用產(chǎn)品，而不能拷貝產(chǎn)品和傳播副本。用水印 技術(shù)保護數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)及維護其真實性和追蹤盜版具有良好的應用前 景。 本課題將數(shù)字水印技術(shù)應用于m i m o 無線通信系統(tǒng)中，保護數(shù)字多媒 體產(chǎn)品的版權(quán)，提高數(shù)字產(chǎn)品在無線傳輸過程中的安全性。 1 2m i m o 技術(shù)的研究現(xiàn)狀 1 9 8 5 年s a l z 對加性噪聲m i m o 信道中存在耦合問題的改進【4 】以及 1 9 9 6 年f o s c h i n i 的貝爾實驗室分層空時( b e l ll a y e r e ds p a c e t i m e ，b l a s t ) 編碼結(jié)構(gòu)的建立【5 】，為m i m o 無線通信技術(shù)的信息奠定了堅實的理論基 礎(chǔ)；而w o l n i a n s k y 等人在f o s c h i n i 理論的基礎(chǔ)上對垂直貝爾實驗室分層 空時( v - b l a s t ) 編碼進行的試驗結(jié)果表明多個天線的通信結(jié)構(gòu)不占用額 外頻譜帶寬也能夠有效地提高信道容量【6 】，這一研究成果引發(fā)了無線通信 領(lǐng)域?qū) i m o 技術(shù)研究的熱潮。而由于m i m o 系統(tǒng)是一個時變、非平穩(wěn) 系統(tǒng)，對其基本理論、關(guān)鍵技術(shù)目前尚有大量問題需要研究，主要集中在 發(fā)送分集和空時編碼方面的研究。 空時編碼( s p a c e t i m ec o d e s ，s t c ) 技術(shù)已經(jīng)突破了智能天線技術(shù) 的自適應信號處理方式，使m i m o 無線通信系統(tǒng)在不損失帶寬的前提下獲 得優(yōu)良的性能增益【_ 7 1 ，是國內(nèi)外無線通信研究機構(gòu)和學者們研究的熱點。 緊隨著f o s c h i n i 提出貝爾實驗室分層空時碼之后，t a r o k h 等人將網(wǎng)格編碼 調(diào)制( t c m ) 技術(shù)結(jié)合發(fā)送分集提出了空時網(wǎng)格碼( s t t c ) s l ，a l a m o u t i 為了解決空時網(wǎng)格碼復雜的譯碼過程提出了一種簡單的雙路分集發(fā)射方 案【9 1 ，并被演化為基于正交概念的空時分組碼( s t b c ) 。大多數(shù)研究都建 立在非頻率選擇衰落的信道上，而實際上并非如此。最近幾年，學者們紛 紛將眼光投向頻率域上的編碼，將j 下交頻分復用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i d e dm o d u l a t i o n ，o f d m ) 技術(shù)在抗頻率選擇性衰落上的優(yōu)勢與m i m o 相結(jié)合形成空時頻( s t f ) 編碼技術(shù)【l0 1 ，能夠使m i m o o f d m 系統(tǒng)在頻 率選擇性衰落中獲得最大的分集增益，其值等于收發(fā)天線數(shù)目及可分離多 徑數(shù)目三者的乘積【l 。 科研機構(gòu)中朗訊科技的貝爾實驗室分層的空時技術(shù)是移動通信方面 2 武漢理i ：人學碩士學位論文 領(lǐng)先的m i m o 應用技術(shù)。2 0 0 2 年1 0 月，世界上第一顆b l a s t 芯片在朗 訊公司貝爾實驗室問世，貝爾實驗室研究設(shè)計小組宣布推出了業(yè)內(nèi)第一款 結(jié)合了貝爾實驗室空時分層m i m o 技術(shù)的芯片，這一芯片支持最高4 4 的天線布局，可處理的最高數(shù)據(jù)速率達到1 9 2 m b p s 。該技術(shù)用于移動通信， b l a s t 芯片使終端能夠在3 g 移動網(wǎng)絡(luò)中接收每秒1 9 2 兆比特的數(shù)據(jù)，現(xiàn) 在，朗訊科技已經(jīng)開始將此b l a s t 芯片應用到其f l e x e n to n e b t s 家族的 系列基站中，同時還計劃授權(quán)終端制造商使用該b l a s t 芯片，以提高無 線3 g 數(shù)據(jù)終端支持高速數(shù)據(jù)接入的能力。 m i m o 技術(shù)已成為未來無線通信系統(tǒng)的框架技術(shù)，以它能充分利用空 間資源獲得高且可靠的頻譜利用率的優(yōu)勢，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?1 3 數(shù)字水印技術(shù)的研究現(xiàn)狀 1 9 9 6 年在英國劍橋召開的數(shù)字水印領(lǐng)域的第一次學術(shù)研討會標志著 數(shù)字水印技術(shù)作為一門新的學科誕生了。如今，數(shù)字水印技術(shù)作為知識產(chǎn) 權(quán)保護的有效手段，得到了廣泛的關(guān)注和應用。 最早開始的研究是以圖像為對象的水印技術(shù)，也是各個對象水印技術(shù) 的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在，無論是w b r d 文檔、c d 唱片、電視電影視頻，還是電子郵 件或是網(wǎng)絡(luò)上的資源，都能借助水印技術(shù)標記它版權(quán)的信息。國外已有許 多的研究機構(gòu)和企業(yè)加入數(shù)字水印的研究，如朗訊公司的貝爾實驗室、微 軟公司的劍橋研究院、荷蘭飛利浦公司、s o n y 公司等等。國內(nèi)學術(shù)界也 于1 9 9 9 年舉辦了第一次信息隱藏技術(shù)研討會，國家8 6 3 計劃智能計算機 專家組會同北京郵電大學信息中心【1 2 】在2 0 0 0 年召開了專門的“數(shù)字水印 學術(shù)研討會”，促進了中國學者在數(shù)字水印技術(shù)領(lǐng)域的交流。 數(shù)字水印技術(shù)現(xiàn)己開始運用于商業(yè)并服務(wù)于相關(guān)行業(yè)。日本電信電話 通信公司研發(fā)的最新技術(shù)即是將數(shù)字水印嵌入照片中，處理后的照片與原 始照片用人眼看不出差別，只有通過專用的掃描儀才能檢測出其中的水 印，采用這種技術(shù)可以迅速無誤地確認證件的真?zhèn)巍? 3 】。我國愛國者公司也 將數(shù)字水印技術(shù)應用于數(shù)碼相機中，愛國者數(shù)字水印相機a i g ow m0 1 已 經(jīng)實現(xiàn)8 0 0 萬像素隱藏水印的添加時間僅為5 秒鐘，從而為數(shù)字水印技術(shù) 在國內(nèi)能夠真正的由理論轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力提供了強大支持。這兩項技術(shù)可以 應用于公安、司法、保險、金融和醫(yī)學等實用領(lǐng)域【1 4 】。 武漢理下人學碩士學位論文 盡管數(shù)字水印在不長的發(fā)展過程中已經(jīng)涌現(xiàn)出很多的研究成果，但水 印技術(shù)仍然是一個不完全的研究領(lǐng)域。要使水印技術(shù)在更大范圍應用值得 我們更深入的研究，如在原始載體的保真度和水印的魯棒性之間權(quán)衡尋找 最佳的嵌入算法、對于大尺度變換會破壞水印的情況需要找到抵抗攻擊魯 棒性強的水印、盲檢測器的幾何和時問失真問題等等。 1 4 本文的主要研究與內(nèi)容安排 本文圍繞m i m o 無線傳輸系統(tǒng)中的信息安全問題進行了探討，為了提 高數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護的力度，做了以下工作： 1 ) 將t u r b o 編碼技術(shù)應用于數(shù)字水印中，采用添加監(jiān)督碼和迭代譯碼 的方式，以增強數(shù)字水印的抗攻擊的能力。 2 ) 采用小波變換低頻域的均值量化算法嵌入水印，使在接收端能實 現(xiàn)水印的盲檢測。 3 ) 研究無線通信信道的衰落特性，采用瑞利衰落、萊斯衰落和天線 相關(guān)三個方面建立m i m o 系統(tǒng)信道，以適應不同信號傳輸?shù)貐^(qū)的信道。 4 ) 重點研究m i m o 的關(guān)鍵技術(shù)空時編碼。對需要確切知道信道 狀念信息的三種常用的空時編碼：分層空時編碼、空時格型編碼和空時分 組編碼進行分析和比較。分別采用不同的編碼技術(shù)設(shè)計m i m o 發(fā)射接收 系統(tǒng)，并結(jié)合各種衰落信道對其進行實驗仿真，分析三種傳輸系統(tǒng)的性能， 得出采用空時格型編碼技術(shù)最適合作為數(shù)字水印的m i m o 系統(tǒng)的傳輸方 式。 5 ) 將數(shù)字水印技術(shù)應用于m i m o 系統(tǒng)，將嵌入水印的圖像一維化處 理后送入空時格型碼編碼器進行傳輸，接收端利用v i t e r b i 譯碼方式得到接 收的圖像，再用與t u r b o 編碼水印相逆的方式提取出水印。 論文共包括五章，各章具體安排如下： 第1 章主要研究了論文選題的研究背景及意義，分別對m i m o 技術(shù)和 數(shù)字水印技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行簡要的敘述。并介紹了論 文的研究內(nèi)容和章節(jié)安排。 第2 章對數(shù)字水印技術(shù)進行論述。由通信系統(tǒng)模型引入數(shù)字水印的嵌 入和提取模型，并提出t u r b o 碼水印算法，用實驗仿真證明t u r b o 碼水印 具有優(yōu)良的不可見性和魯棒性。 4 武漢理：j ：人學碩士學位論文 第3 章對m i m o 系統(tǒng)各個關(guān)鍵技術(shù)進行分析和研究。首先論述m i m o 系統(tǒng)的簡單模型，分析出多天線技術(shù)對信道容量的增加有顯著作用，通過 對無線信道特性的仿真模擬驗證無線信道的衰落對信道容量也有影響。最 后對三種空時編碼技術(shù)進行重點分析。 第4 章將數(shù)字水印技術(shù)應用于m i m o 系統(tǒng)中并對其仿真，實驗是建立 在瑞利衰落、菜斯衰落和天線相關(guān)三種信道上的m i m o 系統(tǒng)的嵌有水印信 號的圖像的傳輸，分析了水印在各種攻擊下的魯棒性和不可見性。 第5 章是全文的總結(jié)部分，總結(jié)本文研究的成果及不足，并對以后工 作方向進行展望。 武漢理下大學碩1 ：學位論文 第2 章t u r b o 碼數(shù)字水印技術(shù) 2 1 基于通信理論的數(shù)字水印模型 數(shù)字水印處理系統(tǒng)可以等價為數(shù)字通信系統(tǒng)，即在水印的嵌入端和提 取端之間傳遞已嵌入水印的載體信息。水印系統(tǒng)包括嵌入、傳輸和檢測三 個部分，水印的嵌入是對水印信息進行編碼并采用某種方法將水印嵌入載 體信息中，這相當于通信系統(tǒng)中的發(fā)送端；水印的檢測是對接收到的信息 進行水印的提取，這相當于通信系統(tǒng)中的接收端；數(shù)字水印在傳輸?shù)倪^程 中可能會受到各種攻擊或噪聲的影響，這與通信系統(tǒng)中的信道傳輸過程相 類似，因此，可以將數(shù)字水印系統(tǒng)歸結(jié)為圖2 1 所示的通信系統(tǒng)模型。 原始水 印信息k 提取水 印信息 圖2 1基于通信理論的數(shù)字水印系統(tǒng)模型 水印的嵌入過程分為水印的編碼和嵌入兩個步驟。首先，將原始水印 信息露進行編碼，形成編碼后信息。然后對形采用類似于式2 1 的方式嵌入 載體信息中。 巴= c o + 口 ( 2 一1 ) 式中，c 0 為原始載體信息，口為嵌入強度，通過加權(quán)后相加，得到已嵌入水印 的作品信息巴。 水印的提取過程可分為有原始載體信息參與的提取和沒有原始載體信 息參與的提取，即非盲水印檢測和盲水印檢測。非盲水印檢測就直接從接 收到的作品信息色中減去原始載體信息c o ，得到含噪聲的水印編碼信息礦， 6 武漢理一l ：人學碩十學位論文 再對礦進行解碼得到提取的水印信息。盲水印檢測過程則全部由水印的解碼 器來完成，它先進行信道解碼恢復正確序列，再進行信源解碼恢復水印k 。 對于一些有魯棒性要求的應用，如操作跟蹤、拷貝控制和所有者鑒別 等，可以將通信中糾錯編碼技術(shù)應用于水印的編碼和解碼中，以提高數(shù)字 水印在信道中傳輸?shù)目煽啃院涂构舻哪芰Α?2 2t u r b o 碼數(shù)字水印的基本原理 t u r b o 碼數(shù)字水印即是將數(shù)字水印信息嵌入載體圖像之前，采用混沌 置亂算法和t u r b o 編碼對水印信息進行預處理。這樣利用混沌序列的加密 功能和糾錯編碼的自我檢錯性能增強了水印信息的魯棒性，使傳輸在多徑 時變的無線信道中的多媒體產(chǎn)品的版權(quán)信息更加安全可靠且不易被破壞。 2 2 1t u r b o 碼原理 為了能判斷接收的信息是否有誤，可以由發(fā)送端的編碼器在信息序列 中增加一些監(jiān)督碼元，這些監(jiān)督碼元和信息序列有一定的關(guān)系，使接收端 可以利用這種關(guān)系由譯碼器來發(fā)現(xiàn)或糾正可能存在的錯碼【l5 1 ，這就是糾錯 編碼的基本原理。隨著數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，人們研究開發(fā)了各種糾錯編 碼算法，各自建立在不同的數(shù)字模型基礎(chǔ)上。由于信道傳輸中發(fā)生的錯誤 大多是突然發(fā)生的一串差錯的，或是突發(fā)差錯和隨機獨立的錯誤并存的， 針對這一類信道，法國不列顛通信大學的兩位教授c b e r r o u 、a g l a i e n u x 與緬甸籍博士p t h i t i m a j s h i m a 提出了一種新的糾錯碼t u r b o 編碼【1 6 】。 t u r b o 碼的核心思想是子編碼器的級聯(lián)和迭代譯碼算法。c b e r r o u 教 授等人在計算機仿真中，采用編碼效率為1 2 的編碼單元和長度為6 5 5 3 6 的偽隨機交織器，在信噪比大于0 7 d b 的高斯白噪聲信道中傳輸，接收端 經(jīng)過了1 8 次迭代譯碼后，誤比特率小于1 0 ，與s h a n n o n 理論極限性能僅 相差0 7 d b ，稱為最接近s h a n n o n 極限的糾錯編碼。它很好地應用了s h a n n o n 信道編碼定理中的隨機性編譯碼條件，在抵御加性高斯噪聲方面性能優(yōu) 越，而且具有很強的抗衰落和攻擊的能力【1 7 】，這也是本文選用t u r b o 碼作 為m i m o 無線通信信道傳輸中水印的編碼的原因。其編碼器和譯碼器的結(jié) 構(gòu)框圖如圖2 2 t 1 8 1 。 7 武漢理工大學碩七學位論文 信息 序列 d n 接收信息 序；i j y ， 效驗序列 y l k 效驗序列 y n , ( a ) 編碼器 輸出 編碼 s n ( b ) 譯碼器 圖2 2t u r b o 碼編碼器的結(jié)構(gòu)框圖 輸出 譯碼 d n 圖2 2 ( a ) 中，t u r b o 編碼器由兩個子編碼器( r s c l 、r s c 2 ) 通過交織器 并行級聯(lián)，再經(jīng)過刪截和復接器得到輸出的編碼數(shù)據(jù)流s 。編碼單元由兩個完 全相同的遞歸系統(tǒng)卷積碼( r s c ) 組成，信息序列在進入編碼器之前被分為多 組長度為n 的比特流，每一組比特流汜為d = ( d ，d ，d ，d 。) ，一部分輸入到第 一個子編碼器r s c l 進行編碼，另一部分通過交織器后進入第二個子編碼器 r s c 2 進行編碼。每個r s c 有兩路效驗位( c l 。、c 。) 輸出，兩個效驗序列經(jīng) 過刪截控制編碼碼率得到q = ( q l ，g 2 ，q ，3 ，g ，。) ，再通過復接器得到t u r b o 碼s 。= ( s 1 ，s 2 ，s 3 s 。) ，其中墨= ( d i ，g ) ，d i 、g 0 ，1 ) 。子編碼器是整個t u r b o 碼編碼器的核心，r s c 能使各子編碼器中的信息更好地互相利用，總的碼重更 接近于平均碼重附近【l9 | ，這樣更適合于低信噪比的信道。 圖2 2 ( b ) 中，譯碼器由兩個子譯碼器( d e c l 、d e c 2 ) 、交織器、解交織 器級聯(lián)組成。每個子譯碼器都采用軟輸入軟輸出( s i s o ) 的譯碼算法，在進行 譯碼判決的同時還給出每一位信息的可靠估值，即為譯碼器的外信息。一部分 外信息厶。直接經(jīng)過交織器，另一部分外信息厶。經(jīng)過解交織器作為另外一個子 8 武漢理r 人學碩士學位論文 譯碼器的先驗信息，協(xié)助其譯碼。這種迭代的方式能使每個輸出碼元得到接收 的信息序列中所有碼元的信息，從而，t u r b o 碼譯碼器的性能遠遠優(yōu)于其它類 型的譯碼器。 交織器是影響t u r b o 碼性能的一個重要因素。在編碼器中，它可以增 加碼字的自由距離、改善碼字的距離譜特性，降低重量偏重或偏輕的碼字 數(shù)量的輸出，使得碼字距離譜窄化；在譯碼器中，它可以降低外信息的相 關(guān)性【l 7 1 。交織器的設(shè)計應盡可能的置亂原來的數(shù)據(jù)排列順序；盡量提高最 小碼重碼字的重量和減小低碼重碼字的數(shù)量；還要盡量避免與同一信息位 直接相關(guān)的兩個分量編碼器中的效驗位被誤刪【2 0 1 。本文采用基于3 g p p 標 準的交織器，可以降低譯碼中的誤碼性能，而且譯碼性能也比較穩(wěn)定。 s i s o 譯碼算法應考慮兩方面的問題：如何引入外信息和如何充分利用 所有碼元信息而防止正反饋的形成。標準m a p ( m a x i m u map o s t e r i o r p r o b a b i l i t y ) 算法通過除以先驗分布來消除正反饋的形成，但計算量為每 比特6 x3 “次乘法和5 x2 ”次加法( 塒為約束長度) 1 2 1 】，運算量龐大，不易 實現(xiàn)。m a x l o g m a p 算法是在對數(shù)中實現(xiàn)，將乘法運算變成了加法運算， 并將對數(shù)域中似然值加法表示式中的對數(shù)分量忽略，省去了大部分的加法 運算，降低了運算復雜度，但并不是最優(yōu)的算法。l o g m a p 算法是對 m a x l o g m a p 算法的修正，多了查表和加法運算，復雜度僅僅多了一點， 而性能卻有提高( 如圖2 3 ) 。定義為： l n ( e 而+ p 恐) = m a x ( x 1 ，x 2 ) + l n ( 1 + e 叫川“2 i ) = m a x ( x l ，t ) + 正( 而一而) ( 2 - 2 ) 式中，西，x 2 為譯碼出來的符號，以( x ) 為修正函數(shù)。軟輸出v i t e r b i 算法( s o f t o u t p u tv i t e r b ia l g o r i t h m ，s o v a ) 是利用最優(yōu)留存路徑和被刪路徑的度量差做 修正，以保留必要的信息，比l o g m a p 算法損失近l d b 。 9 武漢理- 人學碩十學位論文 s n r ( d b ) 圖2 - 3l o g m a p 算法與m a x l o g m a p 算法比較 圖2 - 4 不同迭代次數(shù)下l o g m a p 譯碼誤碼率曲線 t u r b o 譯碼是迭代的。圖2 - 4 所示為不同迭代次數(shù)下，交織長度為1 0 2 4 、 碼率為1 3 的l o g m a p 譯碼的誤碼率( b e r ) 與信噪比( s n r ) 的關(guān)系曲線。 可以看出迭代次數(shù)越大，譯碼性能越高。但同時也帶來了譯碼的延時，對數(shù)據(jù) 量大的信息來說尤為明顯。從圖中也可以看出迭代次數(shù)增加到一定程度，對譯 碼的性能的改善趨于穩(wěn)定，因此設(shè)計中應考慮譯碼延時，尋找最佳的迭代次數(shù)。 本文實驗根據(jù)信道易受攻擊的特性，選擇譯碼迭代次數(shù)為1 5 次。 l o 武漢理i ：人學碩士學位論文 2 2 2 混沌置亂算法 基于保密通信的安全性需求高的考慮，本文對水印圖像進行t u r b o 編碼之 前首先應對其進行混沌置亂，將水印圖像加密。采用混沌序列是因為它對初值 的敏感性很高，安全性強，它的低通特性可以有效的抵抗低通濾波和j p e g 壓 縮攻擊【2 2 1 。用于數(shù)字水印預處理的混沌方法主要有四種：l o g i s t i c 映射、c h e b s h e v 映射、r e n y 映射和花托自同構(gòu)。 l o g i s t i c 映射以它的遍歷性和對初值高度敏感性而備受關(guān)注，在保密通信領(lǐng) 域的應用十分廣泛。本文就采用l o g i s t i c 映射方法，從數(shù)學形式上來看它是一 個非常簡單的混沌映射，它定義為【2 3 1 s 州= , u s i ( 1 - s f ) 1 , 4 】i = 0 , 1 ，2 ， ( 2 - 3 ) 此式為l o g i s t i c 混沌置亂的密鑰。式中，為控制參數(shù)，通常選為接近4 的實 數(shù)，本文采用的值為3 9 ；0 l 0 9 2 急。一協(xié)5 ) ( 3 5 ) 式表明，m i m o 信道容量與天線數(shù)玎成線性的正比關(guān)系，與信噪比b n o 成對數(shù)的正比關(guān)系。因此，m i m o 系統(tǒng)的多天線輸入輸出比單天線的輸入輸出 系統(tǒng)的容量要大得多。為了驗證m i m o 的信道容量的優(yōu)勢，實驗對s i s o 、m i s o 、 s i m o 、m i m o 信道進行了仿真，分別選取i x l 、1 x 2 、2 x l 、2 x 2 等4 種天線數(shù)， 信道為瑞利衰落信道，得到信道容量與信噪比之間的關(guān)系如圖3 - 2 。 2 l 武漢理i ：人學碩士學位論文 望 麓 色 刪 杓 靼 j ! 堅 s n r ( d b ) 圖3 - 2 不同收發(fā)天線數(shù)系統(tǒng)信道容量 從圖3 1 中可以看出，隨著天線數(shù)目的增加，信道容量成倍地增加，而且 信道信噪比每增加5 d b ，s i s o 系統(tǒng)、s i m o 系統(tǒng)和m i s o 系統(tǒng)的信道容量增加 大約2 b i t s h z ，而m i m o 系統(tǒng)的信道容量增加4b i t s h z ，特別在高信噪比的信 道中，m i m o 系統(tǒng)的信道容量遠遠大于s i s o 系統(tǒng)、s i m o 系統(tǒng)和m i s o 系統(tǒng)的 信道容量。由此可知，m i m o 技術(shù)在改善系統(tǒng)信道平均容量方面有著顯著的優(yōu) 勢。 3 3m i m o 無線系統(tǒng)的衰落信道 切無線通信在自由空間中傳播時都會受到各種障礙物阻礙，經(jīng)過若干次 反射、折射、散射和衍射，產(chǎn)生了陰影效應、多徑效應和多普勒效應，使到達 接收端的信號與發(fā)送信號相比發(fā)生了變化。m i m o 系統(tǒng)也是如此，無線信道給 m i m o 傳輸信號帶來的影響主要是衰落和擴展。在傳統(tǒng)的無線信道中，常用瑞 利分布和萊斯分布作為近似信道特征的模型。當發(fā)射端和接收端之問障礙物密 集不存在直接傳播路徑時，采用瑞利分布來描述信道的特征；而當發(fā)射端和接 收端之間存在直接傳播路徑時，則用萊斯分布模型來描述信道的特征 2 9 1 。因此， 瑞利衰落信道適用于描述建筑物密集的城鎮(zhèn)中心地帶的無線信道，萊斯衰落 信道適用于描述空曠的郊區(qū)的無線信道。 武漢理，亡人學碩七學位論文 3 3 1 瑞利( r a y l e i g h ) 衰落信道 瑞利衰落是由于障礙物的阻擋使信號被分為了多條路徑傳播，接收端接收 到的信號來自不同的傳播路徑，各條路徑的延時也不相同，而各個方向的分量 互相疊加，又產(chǎn)生了駐波場強，從而形成信號的快衰落。此時接收信號是由大 量的平面波復合而成的，可以將接收信號近似為方差為莎的獨立同分布的零均 值高斯隨機過程。 用( a ，緲) 柬表示瑞利衰落信道模型，其中，a 表示衰落幅度，p 表示衰 落相位，這兩個變量分別服從瑞利分布和均勻分布1 3 0 】： 正( 口) = r ”厶( 卿) 咖= f 。寺e x p ( 一嘉坳= 暑e x p ( 一魯) ( 3 - 6 ) ( 咖= r 五，伊( 口，糾如= f 赤e x p ( 一萬a 2 ) 如= 瓦1 ( 3 7 ) 3 3 2 萊斯( r i c e ) 衰落信道 當障礙物不是很密集，接收到的信號具有衍射分量的同時具有直接抵達的 分量時，萊斯衰落信道矩陣可以用式( 3 8 ) 來表示： h = 刪+ 日肋 ( 3 8 ) 式中，h l 驅(qū)表示無散射、僅有直射路徑的信道分量，h 肋表示無直射、僅有散 射路徑的信道分量。 可以將接收信號近似為方差為仃的非零均值復高斯隨機過程。此時衰落幅 度的邊緣概率密度為【3 1 】： 加) = 暑e x p ( 一警縱等) ( 3 - 9 ) 直射分量和散射分量的功率之比為萊斯分布的主要參數(shù)萊斯因子k ： k = 芻 為了分析k 因子對m i m o 信道容量的影響， 真，k 因子分別取1 、1 0 、1 0 0 、1 0 0 0 四種情況， ( 3 1 0 ) 對2 x 2 的m i m o 信道進行仿 如圖3 - 3 。 武漢理t ：人學碩七學位論文 霄 z 奄 色 鯽 誰 捌 迎g 2 x 2 不同萊斯閃了的菜斯衰落信道容霞 圖3 3 不同萊斯因子2 x 2m i m o 系統(tǒng)信道容量 從仿真結(jié)果可以看出，信道容量會因k 因子的增加而減小，并且對于k 因 子較大時，隨著信噪比的增大，對信道容量的影響就越大。不過，當k 因子大 到一定的程度時，對信道容量的影響區(qū)別已不太明顯。 3 3 3 天線相關(guān)信道 一般來說，m i m o 各個天線發(fā)射的信號序列是互相獨立非相關(guān)的信號。但 是在散射物并不是很多或者在室內(nèi)環(huán)境中，m i m o 信道的非相關(guān)的特性將消失， 取而代之的是天線上信號之間的相關(guān)和互相重疊。相關(guān)的信號固然會引起接收 信號的變化，造成衰落。 對于接收天線相關(guān)的m i m o 信道，信道矩陣可以表示為【3 2 】： h = r ：坨h o ( 3 1 1 ) 式中，礬為理想狀態(tài)的獨立同分布m i m o 信道矩陣，r 為，r 維接收相關(guān) 矩陣。 對于發(fā)射天線相關(guān)的m i m o 信道，信道矩陣則表示為： h = h o 刷佗 ( 3 1 2 ) 式中，礙為m f 維發(fā)射相關(guān)矩陣。 武漢理一l = 人學碩十學t ：7 ：論文 以2 2 的m - m 。信道為例，b = r = ( 三 p 為相關(guān)系數(shù)，定義為 3 3 】： p ：一堡笙型遨 ( 3 1 3 ) , e l r , 一五1 2 e i r , 一弓1 2 式中，和吒分別為兩個接收天線接收到的瞬時歸一化信號包絡(luò)值，五和乏為接 收天線接收信號的均值。 為了分析相關(guān)系數(shù)p 對m i m o 信道容量的影響，對2 x 2 的m i m o 信道進 行了仿真，p 分別取o 1 、o 3 、0 6 和0 9 5 ，如圖3 4 。 霄 工 i j 一 咖 稚 趔 逛 2 x 2 小同相干系數(shù)的信道容量 圖3 4 不同相關(guān)系數(shù)2 x 2m i m o 系統(tǒng)信道容量 由仿真結(jié)果可以得到，天線相關(guān)系數(shù)越大，對信道的容量的影響越大，而 且信噪比越大，容量的損失就越大。 3 4 空時編碼技術(shù) 前面已經(jīng)分析m i m o 系統(tǒng)與單天線系統(tǒng)相比，在信道容量上有顯著的提高， 信道容量上的增大就會使信息傳輸速率提高和利用增加信息冗余使傳輸可靠性 增加。為m i m o 系統(tǒng)帶來如此好處的原因就是它采用了空時編碼( s t c ) 技術(shù)。 該技術(shù)將天線陣列與分集接收相結(jié)合，在不同天線所發(fā)送的信號中引入時間和 空間的相關(guān)性，從而不用犧牲帶寬而獲得分集增益和編碼增益。 武漢理一l ：人學碩士學位論文 3 4 1 空時編碼基本模型 一個具有m 副發(fā)送天線和，副接收天線的m i m o 系統(tǒng)模型如圖3 - 5 。 圖3 5 空時編碼基本模型 二進制信息序列進入空時編碼器后，進行串并變換形成能從m 副天線同時 發(fā)送出去的多路信號。發(fā)射天