抵抗导频污染攻击的物理层安全传输

发布时间：2020-10-31 15:24

　　 物理层安全技术从无线信道的根本属性出发,为安全通信问题提供了新的解决思路。现有的物理层安全传输方案主要是针对被动窃听场景设计的。然而,恶意攻击者除了被动窃取信息之外还可能发起主动攻击。尤其在时分复用通信系统中,导频污染攻击会对合法通信双方的信道估计过程产生干扰,给无线通信安全带来新的挑战。目前针对导频污染攻击的物理层安全技术研究,还存在以下问题。导频污染攻击检测方案需要改变导频序列的结构,实用性较低。检测出导频污染攻击者后,局限于理论分析而缺乏抑制攻击影响的具体通信方案。因此,本文对抵抗导频污染攻击的物理层安全传输方案展开研究。(1)分析导频污染攻击对系统安全性的影响,为安全传输方案提供设计依据。在信道状态信息获取过程中,保持现有的导频序列结构不变,进行双向信道估计。利用信道估计结果的差异性对导频污染攻击进行检测,并探究双向信道估计检测方案在不同导频污染攻击功率下的检测性能。基于导频污染攻击检测结果提出信息安全传输方案,方案中发送端根据接收者的反馈信息对合法信道估计结果进行校正并设计随机加扰矩阵。仿真结果表明,窃听者增大导频污染攻击功率时,会恶化系统的信息安全传输性能。由于攻击者向外发送导频信号,发送端可以利用双向信道估计结果的差异性对攻击进行检测。攻击检测概率随导频污染攻击功率的增大而升高。在信号接收时,合法接收者的误码率性能随着信噪比的增大而降低,窃听者的接收性能一直保持较高的误码率水平。基于导频污染攻击检测的安全传输方案可以降低导频污染攻击的干扰并保证合法用户之间信息的安全传输。(2)针对发送端未知合法用户反馈信息的导频污染攻击场景,提出基于随机加扰的协作安全传输方案。在基于导频污染攻击检测的安全传输中,发送端已经获得了合法接收者的反馈信息,并且根据校正的主信道信息进行信号预处理设计。当接收端反馈信息不能及时到达发送端时,发送端导频污染攻击检测方案的执行难度增加且不能对估计结果进行校正。基于随机加扰的物理层协作传输方案中,通过引入辅助节点构成协作通信模型用于系统分析。随机加扰矩阵直接约束于受导频污染攻击干扰的信道估计结果以及辅助节点与发送端之间的信道信息。仿真结果及安全性分析表明,基于随机加扰的协作安全传输方案中,合法接收者与辅助节点的信息单向融合进行联合信号检测,可以消除导频污染攻击的干扰。对于窃听者,接收信号受随机加扰矩阵的影响呈现随机变化导致误码率较高。基于随机加扰的协作安全传输方案增强了导频污染攻击场景下系统的安全性能。
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN918
【部分图文】：

抵抗导频污染攻击的物理层安全传输是否存在。这一方案中，需要同时考虑上行链路于下行链路的估计，会造成较大时延并增加计算复杂度。Yuan等人提出了一种基于最小描述长度算法的检测方法仅需要上行链路检测过程，一定程度上减少了时延与系统复杂度[45]。Xiong等人提了一种双向信道估计算法并基于估计结果进行安全传输方案设计[46]。如果发送端备大量的天线，下行链路信道估计开销就会变得很大。Xie等人对这一方案进行改进提出了一个二阶段训练机制，而且考虑了多输入单输出场景下的安全传输[47]。然这些方案主要局限于可实现安全速率的理论分析而缺乏抑制导频干扰的具体发送接收通信方案。1.3 论文主要内容及组织结构针对上述问题，本文对抵抗导频污染攻击的物理层安全传输方案展开研究，要内容如图 1.1 所示抵抗导频污染攻击的物理层安全传输方案研究

图 3.4 上下行双向信道估计示意图Alice的接收信号可以表示为以下两种情况： 表示Alice没有遭受Eve的导频污染攻击， 表示Eve向Alice发起导频污示接收端的加性高斯噪声矩阵，所有的元素都是独立同分布的，且均值为 。利用LMMSE估计方法Alice得到相应的主信道估计结果 表示为 ③ ④ ③ ④ 表示上行信道状态信息，脚标 表示上行链路。可以看出当系统存在击时，Alice获得的主信道估计信息是受到窃听信道干扰的。上式可以简 ③ ④ 是一个高斯估计误差向量，均值为0，方差矩阵为 ， （

Relay之间的信道信息可以通过同样的方法进行估计，定义估计值为 ④ 。全传输方案送端随机加扰信道呈块衰落可知， ， ， 三者在N个符号周期内保持不变，Alice案是基于 个符号周期来联合设计，其中 ，且 为 的倍数。设 个符号Alice发送信号矩阵 ③ ④ ③ ④ ③ ④ (4.4发送时， 先经过随机加扰矩阵进行预处理。假设第 次的随机加扰矩阵为 (4.5 次传输，发送端随机加扰信号处理过程如图 4.2 所示
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本文编号：2864129