OFDM系统中基于独立分量分析的抗导频欺骗攻击信道估计和识别方法与流程

本发明属于无线通信领域，涉及OFDM系统中抗导频欺骗攻击的信道估计和识别机制，具体为OFDM系统中基于独立分量分析的抗导频欺骗攻击信道估计和识别方法。
背景技术：
：随着无线通信技术的快速发展，安全风险正在逐渐威胁和制约着无线通信技术的应用和发展。无线信道的广播特性可以使得有害信号源窃听其他节点的机密和私密信息或者危害干扰其他正常节点的通信链路。目前，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，有害信号源往往具有强大的计算，窃听和攻击能力，甚至能完全破译上层的加密体制，进而导致合法用户的信息完全暴露于自己。为此，物理层安全机制引起了广泛的关注和研究，从最初的理论安全性能分析到最近几年面向实际通信系统的物理层安全机制设计，物理层安全技术一直在不断发展，然而，面向抗干扰攻击的物理层研究特别是面向实际通信系统的抗干扰机制设计还很少。OFDM系统作为当前主流的无线通信系统架构，被广泛应用于各个实际的无线通信系统。但是，由于协议和架构相对固定的特性，攻击者往往可以获取这些信息，进而对系统造成严重的威胁。从物理层信道估计的角度，当一个窃听者获悉合法收发机的帧同步信息和导频信号后，可发动导频欺骗攻击，期间，该攻击者通过与某一合法用户同步地发送相同的导频信号，干扰合法收发机配对之间信道估计，从而降低系统的安全性能，提升安全风险。而且，导频欺骗攻击一旦成功实施后，合法收发机很难再获取精确的合法链路信道状态信息。在OFDM系统中，信道估计需要依靠不同子载波上的确定性导频信号，这些导频信号可被攻击者获知，进而实施导频欺骗攻击。因此，需要新的信道估计机制和导频设计机制来抵抗和削弱OFDM系统中的导频欺骗攻击对信道估计的影响。技术实现要素：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种OFDM系统中基于独立分量分析的抗导频欺骗攻击信道估计和识别方法，充分利用合法收发机之间的信道和主动窃听者至接收机之间信道的独立性，结合导频反馈机制，只需占用3个OFDM符号的时间，便可大幅度提升了合法信道的估计精度，并且此精度不受攻击者干扰功率的影响。本发明是通过以下技术方案来实现：OFDM系统中基于独立分量分析的抗导频欺骗攻击信道估计和识别方法，包括如下步骤，Step1，将OFDM系统中的导频信号看作线性系统，信道看作输入系统的信号源，转换导频信号的接收模型；Step2，在OFDM系统中上行链路合法发射机发射随机导频信号，接收机基于转换后导频信号的接收模型对接收到的导频信号进行分析，检测出主动窃听者的两种行为模式；Step3，根据检测出的攻击者的行为模式，接收机采取相应的信号分析策略进行信道估计：如果检测到攻击，采用CS-JADE算法进行信道估计，否则，采用LS算法进行信道估计；Step4，信道估计结束后，上行合法发射机反馈信道估计使用的随机导频信号给接收机；接收机如果检测到导频攻击，则利用该随机导频信号从Step3中估计的信道中识别出合法收发机配对之间的信道信息；如果检测到无攻击发生，根据LS算法，接收机直接获知合法收发机之间的信道信息。优选的，OFDM系统中包括一对合法收发机和一个主动窃听者，形成的两个上行通信链路分别为1.上行合法发射机到接收机，定义为合法信道；2.主动窃听者到接收机,定义为攻击信道；接收机拥有NT根天线，上行合法发射机和主动窃听者均为单天线，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；每个子载波上的信道系数都服从均值为0方差为1的独立同分布，每个子载波上的噪声都服从均值为0方差为1的独立同分布高斯白噪声。进一步，Step1中转化得到的导频信号接收模型如下，Y~=D~H+V~;]]>其中，Y~=yjTykTytT,D~=dL,jHdL,kHdL,tHHIdL,jHdL,kHdL,tHdE,jHdE,kHdE,tHHII,V~=vL,(1,j)T...vL,(NT,j)TvL,(1,k)T...vL,(NT,k)TvL,(1,t)T...vL,(NT,t)T;]]>yj=[y(i,j)T,...,y(NT,j)T]T,H=hL,(1,j)T...hL,(NT,j)TIhL,(1,j)T...hL,(NT,j)ThE,(1,j)T...hE,(NT,j)TII;]]>j,k,t为三个OFDM符号，为接收机接收到的信号，为导频信号，为接收机的接收端噪声，H为信道，y(i,j)为接收机第i根天线在第j个时隙接收到的信号；dL,(i,j)(n)，dE,(i,j)(n)分别为上行合法发射机用户和主动窃听者在第j个OFDM符号，第i根天线，第n个子载波信道上与接收机之间采用的上行导频信号；为接收机在第i根天线第j个时隙内的噪声；hL,(i,j)，hE,(i,j)分别为下行合法接收机和主动窃听者在第j个时隙至下行合法发射机的第i根天线的子载波信道。进一步，Step3中所述的CS-JADE算法包括如下步骤，3.1根据接收机存储的任意2个时隙j,k接收到的数据接收机线下采用JADE法估计出受污染的信道矩阵3.2根据Y，计算加权矩阵W使其满足：同时估计出加权矩阵SH；3.3计算加权矩阵G使其满足其中，dL,j，dL,k由反馈的导频信号获取；3.4估计出上行合法发射机的上行子载波信道矢量如下：h^L=PGWY=PGSoptH^,]]>其中：P满足优选的，Step2中采用基于噪声子空间的方法对接收到的信号进行检测，以判断是否发生主动攻击，具体如下，首先，对进行特征值分解，得到三个特征值σ0≤σ1≤σ2；其次，如果σ1-σ0＝0，则未发生导频攻击，否则，存在导频攻击。优选的，Step4中用户反馈信道估计使用的随机导频信号给接收机时，按照如下关系进行导频信号的反馈，θj＝θk+θ0＝θt+θ1；其中，θj,θk,θt分别为三个OFDM符号时间对应的随机导频信号的相位，且满足固定的相位差，对应的相位差分别为θ0,θ1；。与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：本发明利用随机导频的特性来弱化导频欺骗攻击为导频干扰攻击，同时根据信道的独立特性来估计和识别导频干扰环境下上行合法发射机和接收机之间的合法信道。本发明只需要花费3个OFDM符号的时间资源和一定数量的频带资源，而且对主动窃听者的导频干扰功率免疫。上行合法发射机通过发送上行随机导频扰乱主动窃听者的蓄意导频攻击，同时，接收机通过利用与合法信道与攻击信道之间的相互独立性，从接收到的受污染信号中萃取出合法信道信息，提升合法信道的信道估计精度，从而解决导频欺骗攻击导致的信道估计精度低的问题。同时本发明采用两阶段方法帮助系统提高对合法信道的估计；第一阶段，上行合法发射机发射随机导频；第二阶段，上行合法发射机反馈第一阶段使用的导频信号给接收机；接收机如果检测到导频攻击，便利用此信息进一步从第一阶段估计的信道中识别出合法信道信息；如果无攻击发生，根据传统的LS算法，上行接收机可直接获知合法信道信息。进一步的，由于在第一阶段主动窃听者可能发送随机导频干扰合法信道估计，通过基于噪声子空间的方法对接收机接收到的信号进行检测，以判断主动攻击是否发生，如果检测到攻击，利用提出的CS-JADE算法进行信道估计，否则，采用传统的LS算法进行信道估计；本发明以提高导频攻击环境下合法用户的上行信道估计为目标，通过对三个OFDM符号时间内子载波上所接收到的信号的统计分析，便可在上行接收端高精度的恢复出合法用户的上行信道信息。并且，所提方案带来的信道估计精度不受攻击者的干扰功率的影响，从而大幅度提升算法的稳健性。附图说明图1是时频结构示意图。图2是本发明实例中所述方法的流程框图。图3是本发明实例中所述的归一化的信道均方误差与合法导频信噪比曲线图。图4是本发明实例中所述的归一化的信道均方误差与天线和子载波个数曲线图。图5是本发明实例中所述的不同干扰功率下归一化的信道均方误差与合法导频信噪比曲线图。具体实施方式下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。本发明所述的方法，在系统模型的建立时，考虑一对合法收发机和一个主动窃听者，两个上行通信链路，分别为1.上行发射机→接收机，定义为合法信道2.主动窃听者→接收机定义为攻击信道。接收机拥有NT根天线，上行发射机和主动窃听者均为单天线，如图1所示，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。每个子载波上的信道系数都服从均值为0，方差为1的独立同分布，每个子载波上的噪声都服从均值为0，方差为1的独立同分布高斯白噪声。若上行发射机采用确定性导频，当导频污染攻击发生时，主动窃听者会在与上行合法发射机相同的导频点位置，发射相同的导频信号，当上行合法发射机采用随机导频时，主动窃听者可能会在与合法发射机相同的导频点位置，发射随机导频信号进行信道估计干扰。其中，导频信号的信噪比分别为，|dL,(i,j)(n)|2＝ρL,|dE,(i,j)(n)|2＝ρE,0≤n≤N-1；为了防止导频污染，上行发射机采用随机导频进行信道估计，此时，主动窃听者可采取两种行为模式：1.不得不采用随机导频干扰合法信道的信道估计，那么，导频欺骗攻击也就被转化为导频干扰攻击；2.保持静默。所谓主动窃听者为一种仅主动干扰合法收发机信道估计的窃听者。图2给出了所述方法的系统框架图，包括如下步骤：Step1，针对信道相干时间资源有限的问题，提出了新的导频信号接收模型；通过转化得到新的导频信号接收模型，对于上行接收机在第i根天线的第j个OFDM符号上接收到的导频信号：y(i,j)=HL,(i,j)dL,(i,j)+vL,(i,j)IHL,(i,j)dL,(i,j)+HE,(i,j)dE,(i,j)+vL,(i,j)II;]]>HL,(i,j)＝diag{hL,(i,j)(0),...,hL,(i,j)(N-1)}HE,(i,j)＝diag{hE,(i,j)(0),...,hE,(i,j)(N-1)}；dL,(i,j)＝[dL,(i,j)(0),...,dL,(i,j)(N-1)]TdE,(i,j)＝[dE,(i,j)(0),...,dE,(i,j)(N-1)]TvL,(i,j)＝[vL,(i,j)(0),...,vL,(i,j)(N-1)]T；其中，I表示未收到导频攻击，II表示受到导频攻击，hL,(i,j)(n)和dL,(i,j)(n)分别为第j个OFDM符号上，上行合法发射机至接收机第i根天线之间的第n个上行子载波信道和上行导频信号，hE,(i,j)(n)和dE,(i,j)(n)分别为第j个OFDM符号上，主动窃听者至接收机第i根天线之间的第n个上行子载波信道和上行导频，vL,(i,j)(n)为接收机在第j个OFDM符号第i根天线上的第n个上行子载波信道上的噪声。为此，通过使得每个用户在各个子载波和天线上的所有上行导频信号都相同：dL,(i,j)(0)＝...＝dL,(i,j)(N-1)＝dL,jdE,(i,j)(0)=...=dE,(i,j)(N-1)=dE,j,∀i∈{1,...,NT};]]>我们得到三个OFDM符号j,k,t内新的导频信号接收模型：Y~=D~H+V~;]]>其中：Y~=yjTykTytT,D~=dL,jHdL,kHdL,tHHIdL,jHdL,kHdL,tHdE,jHdE,kHdE,tHHII,V~=vL,(1,j)T...vL,(NT,j)TvL,(1,k)T...vL,(NT,k)TvL,(1,t)T...vL,(NT,t)T;]]>yj=[y(i,j)T,...,y(NT,j)T]T,H=hL,(1,j)T...hL,(NT,j)TIhL,(1,j)T...hL,(NT,j)ThE,(1,j)T...hE,(NT,j)TII;]]>hL,(i,j)＝[hL,(i,j)(0),...,hL,(i,j)(N-1)]T；hE,(i,j)＝[hE,(i,j)(0),...,hE,(i,j)(N-1)]T；与现有技术方案不同的是，导频信号被认为是线性的混合系统，H被认为是信号源。基于以上所提导频信号接收模型，本发明基于独立分量分析的抗导频欺骗攻击的信道估计和识别方法分为两个阶段：第一阶段，上行合法发射机发射随机导频，此时主动窃听者有两种选择：1.发送随机导频干扰合法信道估计，2.保持静默，不发送导频干扰合法信道估计；为了检测主动窃听者的行为，上行接收机采用基于噪声子空间的方法对接收到的信号进行检测，以判断主动攻击是否发生。如果检测到攻击，上行接收机利用CS-JADE算法进行信道估计，否则，采用传统的LS算法进行信道估计；第二阶段，上行合法发射机反馈第一阶段使用的导频信号给接收机；接收机如果检测到导频攻击，便利用此信息进一步从第一阶段估计的信道中识别出合法信道信息；如果无攻击发生，根据传统的LS算法，上行接收机可直接获知合法信道信息。具体实现如下：Step2，为了检测导频攻击是否存在,采用基于噪声子空间的方法对接收到的信号进行分析：首先，对进行特征值分解，得到三个特征值：σ0≤σ1≤σ2；其次，如果σ1-σ0＝0，则未发生导频攻击，否则，存在导频攻击。为了提高合法用户信道的估计精度，提出了一种导频信号反馈机制，该机制作用于导频估计过程之后，具体设计机制如下：θj＝θk+θ0＝θt+θ1；其中，θj,θk,θt分别为三个OFDM符号时间对应的随机导频信号，但是满足固定的相位差θ0,θ1。Step3，根据以上的结果，如果存在导频攻击，则执行CS-JADE算法进行信道估计和识别，否则，直接执行传统的LS信道估计；提出的CS-JADE算法进行信道估计和识别，该算法借助于反馈的导频信号，使得接收机可以在线下完成信道估计和识别，估计出合法子载波信道矢量具体步骤如下：Step3.1：根据接收机存储的任意2个时隙j,k接收到的数据接收机线下采用JADE法估计出受污染的信道矩阵Step3.2：根据Y，计算加权矩阵W使其满足：同时估计出加权矩阵SH；Step3.3：计算加权矩阵G使其满足：其中，dL,j，dL,k可由反馈的导频信号获取；Step3.4：估计出上行合法发射机的上行子载波信道矢量：h^L=PGWY=PGSoptH^,]]>其中：P满足：Step4，基于信道估计结束后，上行合法发射机反馈信道估计使用的随机导频信号给接收机，上行合法发射机只需反馈θj,θk,θt中的某一个相位信息即可，接收机根据该相位信息和已知的相位差θ0,θ1，即可知晓所有导频信号。本发明的仿真验证分别表示为图3，图4和图5。图3表示了此发明在导频欺骗攻击环境下可以高精度的恢复出合法信道，打破导频攻击的造成的信道估计精度平台。图4表示了本发明估计信道的归一化均方误差随着天线个数和子载波个数变化情况，随着天线个数或者子载波个数的升高，本发明的信道估计精度逐渐趋于稳定。图5表明了本发明在不同导频干扰功率条件下的归一化均方误差性能的稳健性，特别地，随着主动攻击者干扰功率的逐渐增加，本发明的信道估计精度几乎不受干扰功率的影响。当前第1页1 2 3