一种基于分层二维特征编码的安全多用户导频鉴权方法技术

一种基于分层二维特征编码的安全多用户导频鉴权方法，每一个合法用户(LU)指定的原有导频信号现在被随机化、编码为子载波激活模式(SAP)，这些被编码的SAP，尽管会被恶意信号掩盖并且在无线环境中彼此重叠、互相干扰，却仍然可以被分离、识别、可靠地解码为码字并且最终转化为对应的导频信号，从而保证SMPA。本发明专利技术构建了用于SMPA的五层分层解码(HD)模型以演示特征编码和解码的原理。提出了可靠性约束收缩(RBC)理论来缩小约束区间，这个操作是通过针对H2DF的码本分区技术来完成的。通过优化子码本的个数，使得上限和下限IEP边界收缩并重合。本发明专利技术通过H2DF编码理论的支持,能够在在SMPA方面的表现出良好的稳定性。

A Secure Multiuser Pilot Authentication Method Based on Hierarchical Two-Dimensional Feature Coding

A secure multi-user pilot authentication method based on hierarchical two-dimensional feature coding is proposed. The original pilot signals designated by each legitimate user (LU) are now randomized and coded into subcarrier activation mode (SAP). Although these coded SAPs are masked by malicious signals and overlap and interfere with each other in wireless environments, they are not. It can still be separated, identified, reliably decoded into codewords and eventually converted into corresponding pilot signals to ensure SMPA. The invention constructs a five-layer hierarchical decoding (HD) model for SMPA to demonstrate the principle of feature encoding and decoding. The reliability constrained contraction (RBC) theory is proposed to reduce the constrained interval. This operation is accomplished by code book partitioning technology for H2DF. By optimizing the number of subcodebooks, the upper and lower boundaries of IEP are reduced and coincided. Supported by H2DF coding theory, the invention can show good stability in SMMA.

【技术实现步骤摘要】
一种基于分层二维特征编码的安全多用户导频鉴权方法
本专利技术涉及到无线通信领域，特别涉及一种基于分层二维特征编码的安全多用户导频鉴权方法。
技术介绍
随着无线通信技术日益发展，无线信道的广播特性带来的安全风险与日俱增，有害信号源可以更加高效的干扰其他正常节点的通信链路。尽管上层的密码加密解密体制可以在一定程度上保证无线通信环境的安全性，但是随着计算机技术的发展，上层的加密体制面临被破译的风险，有害信号源可以进一步获取合法用户的信息。针对此现象，物理层安全机制引起了广泛的关注和研究。当前，鉴于很多商用和军用的无线通信系统都是基于OFDM技术，有害信号源更加频繁而且针对OFDM系统的攻击，进一步地，攻击者可以获取目标系统的协议和架构参数，对其造成严重的、无法估量的通信损失。研究物理层的导频鉴权机制。在OFDM系统中，导频的鉴权机制是建立在公共已知导频的基础上，是公开的、确定性的。因此，这些导频信号可被攻击者获知，当攻击者获悉合法收发机的帧同步信息和导频信息后，可进一步发动导频感知攻击，期间，该攻击者通过与某一合法用户同步地发送特定的导频信号，就可以干扰合法收发机配对之间的导频共享机制，进一步影响信道估计，瘫痪系统的下一步数据传输服务。而且，导频感知攻击一旦成功实施后，合法收发机很难再启动数据恢复。因此，关键在于如何设计安全的多用户导频鉴权机制来削弱OFDM系统中的导频感知攻击的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于分层二维特征编码的安全多用户导频鉴权方法，以解决上述问题。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于分层二维特征编码的安全多用户导频鉴权方法，包括以下步骤：步骤1，建立系统模型；采用随机导频机制，多个上行发射机采用随机导频进行信道估计，主动攻击者采取混合攻击模式，攻击模式包括：部分频带干扰合法信道的信道训练、全频带干扰合法信道训练和保持静默；步骤2，通过对各个子载波激活模式的编码，创建了码频域，构建分层二维编码准则；考虑K+2个OFDM符号时间，对任意单个子载波上收到的信号进行能量检测，通过配置检测阈值，实现每个子载波上精准的信号个数检测，若存在信号，则该子载波被编码为1，反之则为0；根据得到的二进制编码，得到二元码字向量集合为：S1＝{s1＝[s1，m]|s1，m∈{0，1}，1≤m≤Ls}，其中，s1，m表示第m个二元码字单元。Ls表示码字的长度，同理，得到M+1元码字向量集合S2＝{s2|s2，m∈{0，...，M}，1≤m≤Ls}，s2，m表示第m个M+1元码字单元建立码频域为：其中b表示码字s对应频域的位置，N表示占用的子载波个数；在这个码频域上，得到N×C的二元码本C＝[bi，j]，bi，j＝0，or，1，码本中第i个码字定义为ci＝[b1，i…bN，i]T；构建分层二维特征编码准则，具体包括编码准则和解码准则；步骤3，构建基于独立性校验编码ICC的反攻击信道训练鉴权CTA协议；包括导频的表示，分离和识别。进一步的，步骤1的系统模型中，考虑K个上行发射机，一个接收机和一个导频感知攻击者，共产生K+1个上行通信链路，分别为上行发射机→接收机，导频感知攻击者→接收机。接收机拥有NT根天线，上行发射机和导频感知攻击者均为单天线。频域上，每条上行链路的每根天线在每个OFDM符号内都同时占用N个子载波.时域上，每个通信链路均采样L条路径，信道模型为：代表第m个上行发射机与接收机的第i根接收天线之间的信道冲激响应，代表第l条路径的功率时延谱；代表导频感知攻击者与接收机的第i根接收天线之间的信道冲激响应，并独立于代表第l条路径的功率时延谱。若上行发射机采用确定性导频，当导频感知攻击发生时，攻击者会在与合法发射机相同的导频点位置，发射相同的导频信号，导频信号配置为：在第k个OFDM符号期间，第m个上行发射机在第i个子载波上的的导频信号为其中，ρL，m为其导频发射功率，φk，m表示第k个OFDM符号时间内的导频相位；导频感知攻击者在第i个子载波上的的导频信号为其中，ρA为其导频发射功率，表示第k个OFDM符号时间第i个子载波上的导频相位。进一步的，步骤2中，编码准则：一个N×C的二元码本C＝[bi，j]被称之为分层二维特征编码矩阵，当且仅当，如下两个特性得到满足：1.列特性：对于任意两个向量的集合存在第i行i∈{1，2，...，B}，使得成立，L为可人为设置的变量，C为码本的大小，B为码字的长度；2.行特性：对于任意不相同行，第i，j行，成立；其中，表示第j个上行发射机至接收机第i根天线之间的信道频率响应，表示导频感知攻击者与接收机第i根接收天线之间的信道频率响应，表示第i个子载波上信号的个数，wi表示第i个子载波上接收机端的热噪声。进一步的，步骤2中，解码准则：解码流程分为五层，分别为如下：开始层：本层是对所有上行发射节点子载波的激活模式进行公式化表述；首先，将C均匀的划分为K个子码本，表示为Ci，1≤i≤K，其次，表征第i个上行发射机采用的子载波激活模式为bi∈Ci，攻击者采用的子载波激活模式为a，那么，对于此K+1个节点产生的信号产生的叠加现象，将其刻画为：b1∨…∨bK＝bS，K，bS，K∨a＝bI并且m1+…+mK＝mS，K，mS，K+a＝mI其中，bS，K，mS，K代表K个节点产生的独立的子载波激活模式的相互叠加；a是攻击者采用的子载波激活模式，满足：bI，mI则是接收机最终唯一能获得的两种编码，他们将会被送入到接下来的输入层进行处理。所有可能的列向量bS，K组成了一个码字矩阵BK，也即，bS，K是BK的某一列向量；同理，对于BK中任何一个列向量码字，都可唯一的分解为一组码字bi，1≤i≤K。输入层；本层是进行信号特征提取，共包含两种信号特征，分别为信号能量特征和信号独立性特征；信号独立性特征的提取可通过相邻子载波上信号的内积产生，经过遍历N个子载波，获得一个二维的差分编码矩阵D＝[dj∈[1，N]]，其中，dj＝[d1，j…dN，j]；经过特征提取，信号的能量特征和独立性特征全部包含在了变量bI，mI，D中，这些变量将传递至下一层进行数据处理；隐藏层；本层是从三种攻击类型中识别出当前所遇到的攻击类型；具体流程可分为：判断bI，D中所有元素是否为1，若成立，则表明全频带攻击发生，输出码字bI；否则，执行下一步操作；判断bI是否是BK的某一列向量，若否，部分频带攻击发生，输出码字bI，若是，则继续执行下一步操作若存在mI＝mS，K则可知道攻击者当前保持静默状态，输出码字bS，K，否则，判决当前发生部分频带攻击，输出码字bI。通过以上步骤，本层输出得到的攻击模式和该种模式下对应的码字，并将信息传送至下一层；监督层；本层是对上一层输出的码字进行码字的分离和识别；I：全频带攻击发生时，接收机对bI的每一个元素减1，然后对新得到的码字进行分解，得到K个用户的码字bi，1≤i≤K；II：检测到攻击者静默时，接收机对得到的码字bS，K进行分解，得到K个用户的码字bi，1≤i≤K；III：检测到部分频带攻击发生时，接收机抽取bI元素中满足的元素的集合以每个元素为参考点，执行差分编码，接收机可以得到码字集合进一步需要执行：如果存在码字满足则该码字必满足di＝a，将其从bI中剔除，接收本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于分层二维特征编码的安全多用户导频鉴权方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立系统模型；采用随机导频机制，多个上行发射机采用随机导频进行信道估计，主动攻击者采取混合攻击模式，混合攻击模式包括：部分频带干扰合法信道的信道训练、全频带干扰合法信道训练和保持静默；步骤2，通过对各个子载波激活模式的编码，创建了码频域，构建分层二维编码准则；考虑K+2个OFDM符号时间，K表示用户个数；对任意单个子载波上收到的信号进行能量检测，通过配置检测阈值，实现每个子载波上精准的信号个数检测，若存在信号，则该子载波被编码为1，反之则为0；根据得到的二进制编码，得到二元码字向量集合为：S1＝{s1＝[s1,m]|s1,m∈{0,1},1≤m≤Ls}，其中，s1,m表示第m个二元码字单元；Ls表示码字的长度，同理，得到M+1元码字向量集合S2＝{s2|s2,m∈{0,...,M},1≤m≤Ls}，s2,m表示第m个M+1元码字单元；建立码频域为：

【技术特征摘要】
1.一种基于分层二维特征编码的安全多用户导频鉴权方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立系统模型；采用随机导频机制，多个上行发射机采用随机导频进行信道估计，主动攻击者采取混合攻击模式，混合攻击模式包括：部分频带干扰合法信道的信道训练、全频带干扰合法信道训练和保持静默；步骤2，通过对各个子载波激活模式的编码，创建了码频域，构建分层二维编码准则；考虑K+2个OFDM符号时间，K表示用户个数；对任意单个子载波上收到的信号进行能量检测，通过配置检测阈值，实现每个子载波上精准的信号个数检测，若存在信号，则该子载波被编码为1，反之则为0；根据得到的二进制编码，得到二元码字向量集合为：S1＝{s1＝[s1,m]|s1,m∈{0,1},1≤m≤Ls}，其中，s1,m表示第m个二元码字单元；Ls表示码字的长度，同理，得到M+1元码字向量集合S2＝{s2|s2,m∈{0,...,M},1≤m≤Ls}，s2,m表示第m个M+1元码字单元；建立码频域为：其中b表示码字s对应频域的位置，其中N表示占用的子载波个数；得到N×C的二元码本C＝[ci,j]，码本中第i个码字定义为ci＝[c1,i…cN,i]T；构建分层二维特征编码准则，具体包括编码准则和解码准则；步骤3，构建基于独立性校验编码ICC的反攻击信道训练鉴权CTA协议；包括导频的表示，分离和识别。2.根据权利要求1所述的一种基于分层二维特征编码的安全多用户导频鉴权方法，其特征在于，步骤1的系统模型中，考虑K个上行发射机,一个接收机和一个导频感知攻击者，共产生K+1个上行通信链路，分别为上行发射机→接收机，导频感知攻击者→接收机；接收机拥有NT根天线，上行发射机和导频感知攻击者均为单天线；频域上，每条上行链路的每根天线在每个OFDM符号内都同时占用N个子载波.时域上,每个通信链路均采样L条路径，信道模型为：代表第m个上行发射机与接收机的第i根接收天线之间的信道冲激响应，代表第l条路径的功率时延谱；代表导频感知攻击者与接收机的第i根接收天线之间的信道冲激响应，并独立于代表第l条路径的功率时延谱；若上行发射机采用确定性导频，当导频感知攻击发生时，攻击者会在与合法发射机相同的导频点位置，发射相同的导频信号，导频信号配置为：在第k个OFDM符号期间，第m个上行发射机在第i个子载波上的的导频信号为其中,ρL,m为其导频发射功率，φk,m表示第k个OFDM符号时间内的导频相位；导频感知攻击者在第i个子载波上的的导频信号为其中，ρA为其导频发射功率，表示第k个OFDM符号时间第i个子载波上的导频相位。3.根据权利要求1所述的一种基于分层二维特征编码的安全多用户导频鉴权方法，其特征在于，步骤2中，编码准则：一个N×C的二元码本C＝[bi,j]被称之为分层二维特征编码矩阵，当且仅当，如下两个特性得到满足：1.列特性：对于任意两个向量的集合存在第i行i∈{1,2,...,B}，使得成立，L为人为设置的变量，C为码本的大小，B为码字的长度；2.行特性：对于任意不相同行，第i,j行,成立；其中，表示第j个上行发射机至接收机第i根天线之间的信道频率响应，表示导频感知攻击者与接收机第i根接收天线之间的信道频率响应，表示第i个子载波上信号的个数，wi表示第i个子载波上接收机端的热噪声。4.根据权利要求1所述的一种基于分层二维特征编码的安全多用户导频鉴权方法，其特征在于，步骤2中，解码准则：解码流程分为五层，分别为如下：1)开始层：本层是对所有上行发射节点子载波的激活模式进行公式化表述；首先，将C均匀的划分为K个子码本，表示为Ci,1≤i≤K，其次，表征第i个上行发射机采用的子载波激活模式为bi∈Ci,攻击者采用的子载波激活模式为a,那么，对于此K+1个节点产生的信号产生的叠加现象，将其刻画为：b1∨…∨bK＝bS,K,bS,K∨a＝bI并且m1+…+mK＝mS,K,mS,K+a＝mI其中，bS,K,mS,K代表K个节点产生的独立的子载波激活模式的相互叠加；a是攻...

【专利技术属性】
技术研发人员：任品毅，徐东阳，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61