基于异构导频能量估计的主动攻击检测及其对抗方法技术

本发明专利技术公开了一种基于异构导频能量估计的主动攻击检测方法，步骤为：对上行训练导频进行加密，得出加密后的上行导频序列以及上行信号；基站端根据上行信号计算加密矩阵中每个分块加密矩阵的阶数和随机加密因子；根据区间接收信号的能量差来判断当前无线通信系统中是否存在主动攻击者，并对算法性能进行对比评估；基站端根据导频随即分块加密算法得到近似的合法信道从而使用预编码保护无线通信安全。本发明专利技术不仅实现了无线通信系统导频攻击的检测和对抗一体化，并且合法用户伪随机地将上行导频序列分成了两段，具有更高的合理性和实用性，不仅仅具有检测效果，并且能在出现主动攻击的情况下进行信道修正，从而对抗恶意用户的攻击。户的攻击。户的攻击。

【技术实现步骤摘要】
基于异构导频能量估计的主动攻击检测及其对抗方法


[0001]本专利技术涉及一种物理层攻击检测方法，特别涉及一种基于异构导频能量估计的主动攻击检测及其对抗方法。

技术介绍

[0002]自从全球第五代移动无线通信真正投入到商业运营在21世纪20年代，全球多个组织就开始全身心投入到第六代移动无线通信的研究中了。然而无线通信的安全问题从无线通信的问世开始就引发了社会各界的关注，毕竟通信背后的本质是人类信息的交流和资源的流通。
[0003]传统安全技术通常在网络层及以上各层通过公私密钥方式进行数据传输和获取，采用密钥管理、数字认证等安全机制来保障信息的安全，其安全机制建立在传统密码学的基础上，它的安全性在很大程度上取决于窃听设备的计算能力，对具有强大计算功能设备的安全性较差。而且，加密解密、密钥的传输和额外信令的加入不利于提高无线通信系统的频谱利用率和业务的实时性要求。与此同时，随着人工智能和大数据技术的不断发展，非法者通过用户行为分析和高性能计算设备获取密钥的能力也在不断提高，这使得无线通信安全传输迎来了空前绝后的巨大挑战。

技术实现思路

[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种算法简单、实用性强的基于异构导频能量估计的主动攻击检测及其对抗方法。
[0005]本专利技术解决上述问题的技术方案是：基于异构导频能量估计的主动攻击检测及其对抗方法，包括以下步骤：
[0006]步骤一：在合法用户端使用分块加密传输算法对上行训练导频x
a
进行加密，并且基于总导频序列长度不变的原则，得出合法用户端加密后的上行导频序列以及上行信号Y
A
；
[0007]步骤二：基站端Alice根据上行训练阶段得到的上行信号Y
A
计算加密矩阵Ψ中每个分块加密矩阵的阶数；
[0008]步骤三：基站端Alice根据上行训练阶段得到的上行信号Y
A
计算加密矩阵Ψ中每个分块加密矩阵中的随机加密因子；
[0009]步骤四：基于加密矩阵Ψ和接收信号的平均功率差值Z，根据决策量Z来判断当前无线通信系统中是否存在主动攻击者Eve，并对算法性能进行对比评估；
[0010]步骤五：在基站端Alice判别通信系统中是否存在主动攻击者Eve后，无论结果如何，基站端都根据导频随即分块加密算法得到近似的合法信道从而使用预编码保护无线通信安全。
[0011]上述基于异构导频能量估计的主动攻击检测及其对抗方法，所述步骤一的具体步骤：
[0012]1‑
1)将无攻击状态定义为H0，存在攻击时为H1；当存在主动攻击者Eve时，攻击者发送与合法用户一样的上行导频序列x
u
；
[0013]1‑
2)在上行训练阶段，合法用户Bob采用加密算法对上行导频序列x
u
进行分块加密x
u
＝[x
u1
，x
u2
]，x
ui
为第i个子导频序列，加密后的x
u
为为其中
[0014][0015]r
i
为第i个分块加密矩阵的加密因子，R
τ
×
τ
为加密矩阵维度，τ为矩阵阶数，为功率正则化因子，对角元素为r
i
的对角矩阵阶数与子导频序列x
ui
的长度相等，且均等于Δi，Δi表示第i个分块加密矩阵的阶数，i表示分块加密矩阵的序号，i＝1或2；在矩阵Ψ中，其对角线上的每一个元素r
i
均为一个(0,1)区间的随机数，当i＝1时，r
i
＝1；
[0016]1‑
3)因此，在上行训练阶段，基站端Alice接收的信号表达式为：
[0017][0018]其中I＝{0,1}为指示函数，P
B
、P
E
为合法用户和窃听者的发射功率，h
B
、h
E
为合法信道和窃听信道，U为高斯白噪声矩阵，U的每一个元素都独立服从均值为0，方差为的复高斯分布；当I＝0时，无线通信系统中不存在主动攻击者，否则即表明存在攻击者。
[0019]上述基于异构导频能量估计的主动攻击检测及其对抗方法，所述步骤二的具体步骤：
[0020]2‑
1)基站端Alice在上行训练阶段区分第t个完整加密的导频序列x
ut
所对应的接收信号Y
At
与其他的信号Y
Ai
,i≠t；
[0021]2‑
2)标准化基站端接收信号协方差矩阵其中为Y
A
的共轭转置，M为基站的天线数量，其对应的对角元素向量e＝[e
A1，1
，e
A1，3
...e
A1，1
，e
A2，1
，e
A2，2
...e
A，Δ2
]，e
Ai,Δi
表示矩阵对角元素向量中第i个分块中的第Δi个标量元素，根据中心极限定理，e中的每一个元素都视作一个高斯分布变量，因此：
[0022][0023][0024]其中E
x,y
{F}表示F的数学期望，β
B
、β
E
分别表示合法户和窃听者的大尺度衰落系数；
[0025]2‑
3)无论通信系统中是否存在攻击者，E{e
Ai
}
‑
E{e
A(i
‑
1)
}总是相同的，这也意味着无论系统中是否存在主动攻击者，E{e
Ai
}存在1个阶跃，这与加密区块数量一致，也就是在基站端根据接收到的上行训练信号进行协方差矩阵标准化处理，根据其对角元素的跳跃间隔来确定Δi。
[0026]上述基于异构导频能量估计的主动攻击检测及其对抗方法，所述步骤三的具体步
骤：
[0027]3‑
1)根据基站端Alice测出得到的2个随机加密区间，基站端Alice随后计算出每个加密区间的加密因子，当系统中不存在攻击者时
[0028][0029][0030]存在攻击者时
[0031][0032][0033]x
u
(n)为原始导频序列的第n个元素，为原始导频序列的第i个子序列的共轭转置；u(n)为高斯白噪声矩阵U的第n个列向量，U
i
为上行训练阶段噪声矩阵U的第i个分块子矩阵；y
a
(n)为基站Alice所接收上行导频信号Y
A
第n个列向量，Y
Ai
为基站端接收上行导频信号第i个分块子矩阵；为基站端估计信道；
[0034]3‑
2)定义变量μ
i
＝z
i+1
‑
z
i
，无论系统中是否存在攻击者，显然μ
i
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于异构导频能量估计的主动攻击检测及其对抗方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：在合法用户端使用分块加密传输算法对上行训练导频x
u
进行加密，并且基于总导频序列长度不变的原则，得出合法用户端加密后的上行导频序列以及上行信号Y
A
；步骤二：基站端Alice根据上行训练阶段得到的上行信号Y
A
计算加密矩阵Ψ中每个分块加密矩阵的阶数；步骤三：基站端Alice根据上行训练阶段得到的上行信号Y
A
计算加密矩阵Ψ中每个分块加密矩阵中的随机加密因子；步骤四：基于加密矩阵Ψ和接收信号的平均功率差值Z，根据决策量Z来判断当前无线通信系统中是否存在主动攻击者Eve，并对算法性能进行对比评估；步骤五：在基站端Alice判别通信系统中是否存在主动攻击者Eve后，无论结果如何，基站端都根据导频随即分块加密算法得到近似的合法信道从而使用预编码保护无线通信安全。2.根据权利要求1所述的基于异构导频能量估计的主动攻击检测及其对抗方法，其特征在于，所述步骤一的具体步骤为：1
‑
1)将无攻击状态定义为H0，存在攻击时为H1；当存在主动攻击者Eve时，攻击者发送与合法用户一样的上行导频序列x
u
；1
‑
2)在上行训练阶段，合法用户Bob采用加密算法对上行导频序列x
u
进行分块加密x
u
＝[x
u1
，x
u2
]，x
ui
为第i个子导频序列，加密后的x
u
为其中r
i
为第i个分块加密矩阵的加密因子，R
τ
×
τ
为加密矩阵维度，τ为矩阵阶数，为功率正则化因子，对角元素为r
i
的对角矩阵阶数与子导频序列x
ui
的长度相等，且均等于Δi，Δi表示第i个分块加密矩阵的阶数，i表示分块加密矩阵的序号，i＝1或2；在矩阵Ψ中，其对角线上的每一个元素r
i
均为一个(0，1)区间的随机数，当i＝1时，r
i
＝1；1
‑
3)因此，在上行训练阶段，基站端Alice接收的信号表达式为：其中I＝{0，1}为指示函数，P
B
、P
E
为合法用户和窃听者的发射功率，h
B
、h
E
为合法信道和窃听信道，U为高斯白噪声矩阵，U的每一个元素都独立服从均值为0，方差为的复高斯分布；当I＝0时，无线通信系统中不存在主动攻击者，否则即表明存在攻击者。3.根据权利要求2所述的基于异构导频能量估计的主动攻击检测及其对抗方法，其特征在于，所述步骤二的具体步骤为：2
‑
1)基站端Alice在上行训练阶段区分第t个完整加密的导频序列x
ut
所对应的接收信
号Y
At
与其他的信号Y
Ai
，i≠t；2
‑
2)标准化基站端接收信号协方差矩阵其中为Y
A
的共轭转置，M为基站的天线数量，其对应的对角元素向量e＝[e
A1，1
，e
A1，2
…
e
A1，Δ1
，e
A2，1
，e

【专利技术属性】
技术研发人员：王仕果，刘鸿东，李琳至，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：