抵抗导频污染攻击的协作矢量安全传输方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种抵抗导频污染攻击的协作矢量安全传输方法及系统，通过接收方与第三方可信节点协作融合检测的方式对抗导频污染攻击，实现安全传输。本发明专利技术中，无需改变导频序列以及目前的信道估计方式，发送方不需要知道合法信道和窃听信道的先验知识，也不需要检测导频污染是否存在并区分合法接收方和攻击方，而是直接利用被污染的信道与可信辅助节点的信道进行安全传输方案设计，其中用于预编码的随机权值系数矩阵不需要传递给接收者，实用性强。

【技术实现步骤摘要】
抵抗导频污染攻击的协作矢量安全传输方法及系统
本专利技术涉及信息通信领域，特别是一种抵抗导频污染攻击的矢量安全传输方法及系统。
技术介绍
与传统安全理论和方法不同，物理层安全传输的基本思想是充分利用噪声和无线信道本身固有的不可复制的物理随机特性，在不影响合法用户正常通信的前提下，限制非法用户解码的有效信息“位”数。由传统信息论安全理论，信道安全容量依赖于合法接收者相对于非法(窃听)用户的信道优势(必须是正值)，而这在实际应用中往往难以满足。为改善合法用户的信道优势，现有研究多在发送端采用分区加扰等技术以降低非法接收者的信道/信号质量。这往往需要在发送端采用空域多天线或时域信道冗余技术。另一方面，为满足快速增加的数据传输需求，多天线已经成为下一代无线通信系统的关键技术，但其系统性能对信道估计的准确性非常敏感。已经发现，由于可用的导频数量有限，多个用户可能不得不使用相同的导频序列。这会干扰相应用户正常的数据传输，降低系统性能，被称为导频污染。现有研究也表明，导频污染的检测非常困难。对发送端而言，如果没有合法接收者的充分的先验知识，是很难有效区分攻击者和合法接收者的。这就为攻击者提供了一种新的底层攻击方式，即攻击者先通过监听电磁信号获得收发双方进行信道估计的导频序列，再冒充合法接收者发起导频污染攻击。例如，通过向发送端同步发送相同的反向导频序列，干扰发送端的信道估计过程，达到误导发送端设计错误的波束赋形方案，将主波束偏离合法接收者的目的。对此，有人提出利用随机导频来进行信道估计，增加攻击者得到导频序列的技术难度。然而，在许多实际系统中，导频序列不只是用来进行信道估计，还用来区分用户。其次，由于实际系统的实现复杂性限制，导频序列的随机变化规则不可能太复杂，因此经过一段时间积累，导频的随机变化规律仍旧可以被破解。为了不改变现有导频序列结构和信道估计过程，有人提出了基于最少描述长度或双向能量检测等算法进行导频污染检测。但是，因为要利用上下行双向信息传输，这些检测方案算法复杂，实用性差，并且检测出导频污染攻击后的安全传输问题还是没有得到有效解决。有人提出双向安全传输方案，解决了导频污染攻击时的安全传输问题，但是算法复杂，通信效率很低，双向传输要求更降低其实用性。可见，一方面，导频污染的检测本身就面临困境，需要信道的先验知识。随机导频类的方案目前仅仅局限于安全理论分析，缺乏实用性；基于双向能量检测或最少描述长度等方案的导频污染检测存在实现障碍。再者，这些检测方法并没有提出检测出导频污染攻击后的行之有效的安全传输方案。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种抵抗导频污染攻击的矢量安全传输方法及系统，实现安全传输。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种抵抗导频污染攻击的矢量安全传输方法，包括以下步骤：1)发送端将代发符号序列交织后，重组为L维符号矢量的形式。对应每个符号周期，每次发送一个符号矢量，而非单个符号。则根据最大熵原理，L维符号矢量需要重复发送至少L次。对应第l次符号发送周期，发送方生成随机加扰矩阵Wl；Wl与待发送符号矢量x＝(x(1),x(2),…,x(L))T相乘，得到一个叠加信号矢量；将该叠加信号矢量中每个随机加权分量分别加载到对应天线上发送；在下个符号周期再生成新的随机加扰矩阵，重复上述发送过程；l＝1,2,…,L；L为信号矢量维度，也即每个符号矢量的传输次数；2)在存在导频污染攻击的情况下，是一个奇异矩阵，则接收方根据下式得到发送信号矢量的估计值其中，δmin是矩阵的最小非零奇异值；I是单位矩阵；x＝(x(1),x(2),…,x(L))T；为艾尔米特变换后的矢量；为发送方到攻击方的信道矢量无偏估计；为艾尔米特变换后的矢量；为发送方到辅助节点之间的信道矢量无偏估计；表示的右伪逆矩阵；为hAR艾尔米特变换后的矢量；λ11,λ12,…,λLL为大于0的实系数；hAR为发送方到辅助节点之间的信道矢量；nR(l)为辅助节点端的高斯噪声；nB(l)表示接收端的高斯噪声；V、U为奇异值分解后的酉矩阵；UH表示U的艾尔米特变换后的矩阵；∑为奇异值分解后的对角矩阵；在不存在导频污染攻击的情况下，则接收方根据下式得到发送信号矢量的估计值其中，是均值为0，方差为σ2I的高斯噪声向量；为发送方到辅助节点之间信道矢量的第i个无偏估计分量；1≤i≤M；M为发送方的天线数量。随机加扰矩阵Wl满足如下约束条件：为艾尔米特变换后的矢量；为发送方到接收方的信道矢量无偏估计；为发送方到攻击方的信道矢量无偏估计；λ11,λ12,…,λLL为实系数，且λ11,λ12,…,λLL为正数。随机加扰矩阵Wl的生成过程包括：1)随机生成Wl中的元素其中，1≤m≤M-1；1≤l'≤L；2)利用下式生成Wl的第M行、第l'列的元素为中的第i个矢量。系数(λ11,λ12,…,λLL)的作用是确保两两之间是线性无关的，即彼此充分不同。对于生成的所有系数λij组成的方阵：如果上述方阵满秩，就可以保证行/列向量之间是线性无关的。实际生成算法是一个穷举搜索算法，其每行平方和等于1，但计算量较大。其近似实现可以借助魔方矩阵的生成算法，它的每行、列以及对角线的数之和等于1。相应地，本专利技术还提供了一种抵抗导频污染攻击的协作矢量安全传输系统，包括：发送方，用于将代发符号序列交织后，重组为L维符号矢量的形式，对应每个符号周期，每次发送一个符号矢量，根据最大熵原理，L维符号矢量需要重复发送至少L次；对应第l次发送，发送方生成随机加扰矩阵Wl；Wl与待发送符号矢量x＝(x(1),x(2),…,x(L))T相乘，得到一个叠加信号矢量；将该叠加信号矢量中每个随机加权分量分别加载到对应天线上发送；在下个符号周期再生成新的随机加扰矩阵，重复上述发送过程；l＝1,2,…,L；L为信号矢量维度，也即每个符号矢量的传输次数；接收方，用于在存在导频污染攻击的情况下，根据下式得到发送信号矢量的估计值其中，δmin是矩阵的最小非零奇异值；I是单位矩阵；x＝(x(1),x(2),…,x(L))T；为艾尔米特变换后的矢量；为发送方到攻击方的信道矢量无偏估计；为艾尔米特变换后的矢量；为发送方到辅助节点之间的信道矢量无偏估计；表示的右伪逆矩阵；为hAR艾尔米特变换后的矢量；λ11,λ12,…,λLL为大于0的实系数；hAR为发送方到辅助节点之间的信道矢量；nR(l)为辅助节点端的高斯噪声；nB(l)表示接收端的高斯噪声；V、U为奇异值分解后的酉矩阵；UH表示U的艾尔米特变换后的矩阵；∑为奇异值分解后的对角矩阵；在不存在导频污染攻击的情况下根据下式得到发送信号矢量的估计值是均值为0，方差为σ2I的高斯噪声向量；为发送方到辅助节点之间信道矢量的第i个无偏估计分量；1≤i≤M；M为发送方的天线数量。与现有技术相比，本专利技术所具有的有益效果为：本专利技术通过接收方与辅助节点协作的方式对抗导频污染攻击，实现安全传输。本专利技术中，无需改变导频序列以及目前的信道估计方式，发送方不需要知道任何主信道或窃听信道的先验知识，也不需要对接收方和攻击方的信道进行区分，而是直接利用被污染的信道与可信辅助节点的信道进行安全方案设计，实用性强。附图说明图1为本专利技术通信模型示意图；图2为本专利技术发送本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抵抗导频污染攻击的协作矢量安全传输方法，其特征在于，包括以下步骤：1)发送端将代发符号序列交织后，重组为L维符号矢量的形式。对应每个符号周期，每次发送一个符号矢量，根据最大熵原理，L维符号矢量需要重复发送至少L次；对应第l次发送，发送方生成随机加扰矩阵W

【技术特征摘要】
1.一种抵抗导频污染攻击的协作矢量安全传输方法，其特征在于，包括以下步骤：1)发送端将代发符号序列交织后，重组为L维符号矢量的形式。对应每个符号周期，每次发送一个符号矢量，根据最大熵原理，L维符号矢量需要重复发送至少L次；对应第l次发送，发送方生成随机加扰矩阵Wl；Wl与待发送符号矢量x＝(x(1),x(2),…,x(L))T相乘，得到一个叠加信号矢量；将该叠加信号矢量中每个随机加权分量分别加载到对应天线上发送；在下个符号周期再生成新的随机加扰矩阵，重复上述发送过程；l＝1,2,…,L；L为信号矢量维度，也即每个符号矢量的传输次数；2)在存在导频污染攻击的情况下，接收方根据下式得到发送信号矢量的估计值其中，δmin是矩阵的最小非零奇异值；I是单位矩阵；x＝(x(1),x(2),…,x(L))T；为艾尔米特变换后的矢量；为发送方到攻击方的信道矢量无偏估计；为艾尔米特变换后的矢量；为发送方到辅助节点之间的信道矢量无偏估计；表示的右伪逆矩阵；为hAR艾尔米特变换后的矢量；λ11,λ12,…,λLL为大于0的实系数；hAR为发送方到辅助节点之间的信道矢量；nR(l)为辅助节点端的高斯噪声；nB(l)表示接收端的高斯噪声；V、U为奇异值分解后的酉矩阵；UH表示U的艾尔米特变换后的矩阵；∑为奇异值分解后的对角矩阵；在不存在导频污染攻击的情况下，则接收方根据下式得到发送信号矢量的估计值其中，是均值为0，方差为σ2I的高斯噪声向量；为发送方到辅助节点之间信道矢量的第i个无偏估计分量；1≤i≤M；M为发送方的天线数量。2.根据权利要求1所述的抵抗导频污染攻击的矢量安全传输方法，其特征在于，随机加扰矩阵Wl满足如下约束条件：为艾尔米特变换后的矢量；为发送方到接收方的信道矢量无偏估计；为发送方到攻击方的信道矢量无偏估计；λ11,λ12,…,λLL为实系数，且λ11,λ12,…,λLL为正数。3.根据权利要求2所述的抵抗导频污染攻击的矢量安全传输方法，其特征在于，随机加扰矩阵Wl的生成过程包括：1)随机生成Wl中的元素其中，1≤m≤M-1；1≤l'≤L；2)利用下式生成Wl的第M行、第l'列的元素为中的第i个分量。4.根据权利要求1所述的抵抗导频污染攻击的矢量安全传输方法，其特征在于，对于由实系数λ11,λ12,…,λLL构成的方阵：该...

【专利技术属性】
技术研发人员：伍仁勇，伍清源，段伟，
申请(专利权)人：伍仁勇，
类型：发明
国别省市：湖南,43