CN103701482A

CN103701482A - 一种无线通信设备和收发无线信号的方法

Info

Publication number: CN103701482A
Application number: CN201210365776.4A
Authority: CN
Inventors: 马蒂亚斯·兰珀
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2014-04-02
Also published as: WO2014048715A1

Abstract

本发明公开了一种无线通信设备和收发无线信号的方法。该无线通信设备包括：第一天线模块，用于向第一区域发射信号；第二天线模块，用于向第二区域发射信号；处理模块，用于对待发射信号进行线性失真处理得到干扰信号；将所述待发射信号通过第一天线模块发射到第一区域，将所述干扰信号通过第二天线模块发射到第二区域；其中，第一区域和第二区域为空间上分开的两个区域。根据本发明实施例的无线通信设备和方法，可以使攻击者难以窃听无线通信设备的发送数据，并且上述方案使用现有的硬件设备就能实现，容易实施，成本低，对在同一频段运作的其它无线通信系统的干扰较小。

Description

一种无线通信设备和收发无线信号的方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术，特别涉及一种无线通信设备和收发无线信号的方法。

背景技术

无线通信技术目前已经广泛应用在工业及日常生活当中。其网络的普及以及网络设备越来越低廉的价格也带来了各种安全隐患。和有线网络相比，无线信道具有开放性和不稳定性的特点，因此无线通信网络尤其容易受到窃听、干扰、数据篡改等。

目前，无线通信系统采用的安全性技术主要包括信息加密技术和身份认证技术。但这两种技术无法防止攻击者通过窃听通信一方发送的数据来获取通信对端的MAC地址，并利用获取的MAC地址进行攻击。

发明内容

由于现有技术中存在的上述问题，本发明实施例提供了一种无线通信设备，可以使潜在的攻击者难以窃听无线通信设备的发送数据。

本发明实施例还提供了一种无线通信设备收发无线信号的方法，可以使潜在的攻击者难以窃听无线通信设备的发送数据。

一个实施例提供的一种无线通信设备包括：

第一天线模块，用于向第一区域发射信号；

第二天线模块，用于向第二区域发射信号；

处理模块，用于对待发射信号进行线性失真处理得到干扰信号；将所述待发射信号通过第一天线模块发射到第一区域，将所述干扰信号通过第二天线模块发射到第二区域；

其中，第一区域和第二区域为空间上分开的两个区域。

一个实施例提供的一种无线通信设备收发无线信号的方法包括：

对待发射信号进行线性失真处理得到干扰信号；

将所述待发射信号通过第一天线模块发射到第一区域；

将所述干扰信号通过第二天线模块发射到第二区域；

其中，第一区域和第二区域为空间上分开的两个区域。

从上述技术方案可以看出，本发明实施例提供的无线通信设备和无线通信设备收发无线信号的方法，可以使攻击者难以窃听无线通信设备的发送数据，并且上述方案使用现有的硬件设备就能实现，容易实施，成本低，对在同一频段运作的其它无线通信系统的干扰较小。

附图说明

图1为本发明一实施例的无线通信设备的结构示意图。

图2为本发明一实施例的无线通信设备的结构示意图。

图3为本发明一实施例的无线通信设备的结构示意图。

图4为本发明实施例的无线通信设备收发无线信号的方法流程图。

图5为本发明一实施例中无线通信设备的应用场景示意图。

图6为本发明一实施例中无线通信设备的应用场景示意图。

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明实施例进一步详细说明。

图1为本发明一实施例的无线通信设备的结构示意图，包括：

第一天线模块101，用于向第一区域发射信号；

第二天线模块102，用于向第二区域发射信号；

处理模块103，用于对待发射信号进行线性失真处理得到干扰信号；将所述待发射信号通过第一天线模块发射到第一区域，将所述干扰信号通过第二天线模块发射到第二区域；

其中，第一区域和第二区域为空间上分开的两个区域。

在本实施例中，假设通信对象位于第一区域内，而潜在的攻击者位于第二区域内。这两个区域可以是因空间上方位不同而分隔开，也可以是由一些遮挡物分隔开，例如墙、车厢等。上述技术方案通过同时在两个区域中分别发射待发射信号和干扰信号，使得潜在攻击者在干扰信号作用下难以接收到“真正的发射信号”即待发射信号，而由于空间上的分隔，通信对象收到的“真正的发射信号”的强度大于干扰信号，因此可以正确地接收信号。

同时，由于干扰信号是由待发射信号经过线性失真处理生成的，它不会对使用其它频段的无线通信用户造成干扰。

常用的无线通信设备中可能仅有一个射频处理单元，也可能具有多个独立的射频处理单元。

当无线通信设备具有多个独立的射频处理单元时，上述技术方案的具体实现方法可以如下所述。

图2为本发明一实施例的无线通信设备的结构示意图，其中，处理模块203包括第一射频处理单元2031、第二射频处理单元2032和线性失真处理单元2033，其中：

第一射频处理单元2031，与第一天线模块相连，用于将所述待发射信号提供给第一天线模块；

第二射频处理单元2032，与线性失真处理单元2033相连，用于将所述待发射信号提供给线性失真处理单元2033；

线性失真处理单元2033，与第二天线模块相连，用于对来自第二射频处理单元2032的待发射信号进行线性失真处理，生成所述干扰信号，将所述干扰信号提供给第二天线模块。

在上述方案中，第一射频处理单元2031是无线通信设备中与通信对象进行通信时所使用的射频处理单元，第二射频处理单元2032是空闲的射频处理单元。射频处理单元2031和2032在发射信号时产生相同的待发射信号，其中一路待发射信号直接由第一天线模块发射到第一区域，另一路待发射信号经过线性系统的处理后变为干扰信号，由第二天线模块发射到第二区域。对于具有多个射频处理单元的无线通信设备而言，由于这种设备一般都具备灵活地启用或禁用一个或多个射频处理单元进行并行数据流的收发功能，采用上面的实现方式不需要额外地对无线通信设备进行改造，实现方便。

在根据本发明的一个实施例中，在第一射频处理模块通过第一天线模块向第一区域发射信号时，第二射频处理模块可以同时通过和第二天线模块向第二区域发射干扰信号，从而避免攻击者窃听无线通信设备的发送数据。在另一实施例中，也可以仅在需要的时候，例如在无线通信设备向其通信对端发送控制信息等重要的数据时，使第一射频处理单元和第二射频处理单元同时发射信号。

根据本发明一实施例，处理模块203还可以包括射频控制单元2034，用于当第一射频处理单元2031通过第一天线模块接收信号时，使第二射频处理单元2032停止工作。这样，当第一天线模块从通信对象接收信号时，第二天线模块的接收信号不会被引入到无线通信设备中，因此无线通信设备便不会被第二区域中的潜在攻击者的干扰信号阻塞。

当无线通信设备仅有一个射频处理单元时，上述技术方案的具体实现方法可以如下所述。

图3为本发明一实施例的无线通信设备的结构示意图，其中，处理模块303包括第一射频处理单元3031、信号分裂单元3032和线性失真处理单元3033，其中：

第一射频处理单元3031，与信号分裂单元3032相连，用于将待发射信号提供给信号分裂单元3032；

信号分裂单元3032，与第一天线模块3031和线性失真处理单元3033分别相连，用于将来自第一射频处理单元3031的待发射信号分裂成两路信号，将得到的其中一路信号提供给第一天线模块，将得到的另一路信号提供给线性失真处理单元3033；

线性失真处理单元3033，与信号分裂单元3032和第二天线模块分别相连，用于对来自信号分裂单元3032的待发射信号进行线性失真处理，生成所述干扰信号，将所述干扰信号提供给第二天线模块。

这样，即使无线通信设备只有一个射频处理结构时，只需要利用信号分裂单元3032将待发射信号分裂成两路信号就可以实现同时发射“真正的”信号和干扰信号，实现上面的技术方案。

其中，信号分裂单元3032可以由功率分配器/合成器实现。

需要注意的是，为了描述简单、明了，上述装置结构图中仅示出了实现本发明实施例的技术方案所必须的模块和单元，那些与本发明无关的常规功能模块和结构则没有示出。此外，上述装置结构可以是物理结构，也可以是逻辑结构，即，有些模块可能由同一物理实体实现，或者，有些模块可能分由多个物理实体实现，或者，可以由多个独立设备中的某些部件共同实现。例如，在一些实施例中，线性失真处理单元可以集成在第二天线模块中。

根据一个实施例，上述线性失真处理单元的脉冲响应时间大于所述无线通信设备的最大可容忍多径时延，这样，可以使得攻击者无法从干扰信号中提取有用的信息。线性失真处理单元可以是：抽头延迟线（TDL）、带有长脉冲响应的声表面波（SAW）滤波器或无源滤波器（LC滤波器），或者是上述器件中的多个组成的滤波网络等。在一些实施例中，上述线性处理元件可以直接集成在发射干扰信号的天线模块中。

当所述第一区域和第二区域位于所述无线通信设备的不同方位时，一个实施例中的第一天线模块或第二天线模块可以为方向性天线；另一实施例中的第一天线模块和第二天线模块均为方向性天线。例如，第一天线模块的发射方向指向通信对象所在的方位，第二天线模块的发射方向指向潜在攻击者的方位。这样，可以使得攻击者只能接收到干扰信号，而通信对象则不受干扰信号的影响。

一个实施例中，当所述第一区域和第二区域由遮挡物分隔时，所述第一天线模块位于第一区域，第二天线模块位于第二区域。进一步地，第一天线模块和第二天线模块中可以有至少一个为方向性天线。例如，当第一区域为遮挡物围绕出的区域时，第一天线模块可以是方向性天线，也可以是全向天线，第二天线模块可以是方向性天线；当第二区域为遮挡物围绕出的区域时，第二天线模块可以是方向性天线，也可以是全向天线，第一天线模块可以是方向性天线。

第一天线模块和第二天线模块可以是单独的天线，也可以是多个天线或天线阵列，或者是智能天线、自适应天线、波束赋形天线等。

相应地，本发明实施例还提供一种无线通信设备收发无线信号的方法。图4为本发明实施例的无线通信设备收发无线信号的方法流程图。如图所述，该方法主要包括：

步骤401，对待发射信号进行线性失真处理得到干扰信号；

步骤402，将所述待发射信号通过第一天线模块发射到第一区域；

步骤403，将所述干扰信号通过第二天线模块发射到第二区域；

其中，第一区域和第二区域为空间上分开的两个区域。例如，这两个区域可以在所述无线通信设备的不同方向，或者，由遮挡物分隔开。当第一区域和第二区域是由于方位不同而空间相隔时，第二天线模块是方向性天线，第一天线模块可以是方向性天线，也可以不是。当所述第一区域和第二区域由遮挡物分隔时，所述第一天线模块位于第一区域，第二天线模块位于第二区域，第一天线模块和第二天线模块中可以有至少一个为方向性天线。

当无线通信设备中的第一射频处理单元与第一天线模块相连，第二射频处理单元通过一线性失真系统与第二天线模块相连时，上述方法还可以包括：

发射信号时，第一射频处理单元和第二射频处理单元产生相同的待发射信号；

接收信号时，第一射频处理单元处理第一天线模块的接收信号，禁用第二射频处理单元。

需要注意的是，上述方法中，不是所有的步骤都是必须的，也不是一定要按照上面描述的顺序来执行。在实际应用时，可以根据需要调整这些步骤的执行顺序，也可以省略某些步骤。

本发明实施例提供的技术方案可以应用在短距离无线通信网络(包括UWB、蓝牙、RFID等)、无线局域网(WLAN)、无线城域网(WiMAX)、无线广域网(包括WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA等)中。

下面举几个具体的例子对上述技术方案进行说明。

例一

本例为上述技术方案在无线局域网（WLAN）中的应用。

基于IEEE802.11协议族的无线局域网技术是无线通信的主导技术之一，并已在许多应用领域中稳占一席之地。其应用广泛，无线局域网设备的价格也比较低廉。当无线局域网设备应用在如工业控制任务等的敏感场景中时，尤其是运行在对公众开放的地区及其附近时，对入侵者和攻击者必须采取适当的预防措施。

本例中以列车到路侧无线通信系统（如列车控制系统或旅客信息系统）为应用场景，描述本发明提供的技术方案如何使上述无线通信系统免受列车乘客的攻击。

在上述系统中，攻击者搭乘采用基于WLAN的列车控制系统或乘客信息系统的列车后，可以在列车上使用现有的无线局域网设备（笔记本电脑，掌上电脑，智能手机中的WLAN适配器）和常用的软件工具，拦截WLAN客户端（即列车上的车载单元）和路侧基础设施的接入点（Access Points）之间的所有或部分数据流量。因为虽然车厢具有一定程度的屏蔽效应，使攻击者可能无法接收AP的信号（由于被火车车厢屏蔽，天线不合适等），但在车厢内通常仍可以收到足够强度的客户端传输的数据，因此攻击者能够通过分析客户端传输的数据分析WLAN网络（例如，获得所有AP的列表）。此外，攻击者还可以获取普通AP的媒体接入控制标识（MAC ID）和扩展服务集标识符（ESSIDs），从而将其装置伪装成一个有效的AP，使客户端连接到攻击者的设备，从而导致客户端与“真正的”路侧通信系统的连接丢失。

但是，对车厢进行完全的RF屏蔽既不现实，也不可取，因为这样也将禁止乘客在列车中使用移动电话。

由于目前的WLAN设备通常具有多个独立的射频处理单元，也称为RF链。用于MIMO（多输入多输出）传输和接收多个并行数据流，还可以灵活地单独启用或禁用RF链以应用在单输入单输出模式下或在需要较少RF链的MIMO模式下。

下列内容中，假设客户端在和接入点AP进行通信时只需要一个RF链，并且客户端还有另一个可用的RF链。

图5为本发明一实施例中无线通信设备的应用场景示意图。如图5所示，客户端在和接入点AP进行通信时使用的RF链连接到位于列车顶部的主天线。客户端未使用的RF链通过线性系统，如抽头延迟线（TDL），带有长脉冲响应的SAW滤波器，LC滤波网络等，连接到位于车厢内的天线。假设该车厢内的天线与主天线之间有有限的RF屏蔽。

客户端向AP发射信号的期间，两个RF链均在工作状态。由于车厢产生的有限的RF屏蔽效应，车厢中的潜在攻击者收到的无线电信号主要为经过TDL处理的信号，主天线的发射信号在传播到车厢中时被削弱；同样，车厢内的天线的发射信号穿透车厢时被削弱，因此AP几乎不受干扰信号的影响。

一个实施例中，主天线可以采用方向性天线，这样，有用的信号通过方向性天线发给AP，可以使得车厢中收到的主天线的发射信号更微弱。一个实施例中，车厢中的天线可以采用方向性天线，向与主天线的发射方向相反的方向发射干扰信号，使得AP收到的有用信号比干扰信号强得多。

采用的线性系统的脉冲响应时间可以明显长于WLAN通信系统能容忍的最大的多径时延，例如为该最大可容忍多径时延的3倍以上；对基于OFDM的802.11a/g/n模式，线性系统的脉冲响应时间大于保护间隔（通常为800ns）。这样，现有的商用WLAN设备就无法从受到这种线性失真影响的WLAN信号中正确检测到数据。

这样，列车上的攻击者几乎不可能解码客户端发送的信号，也不可能进行诸如响应客户端的探测请求或关联请求等。而客户端与真正的AP之间的通信将不会受到很大影响。而对同一频段内的其他应用产生的干扰也局限在客户端的主动传输时间内。

在一个实施例中，客户端接收数据时，只有连接到主天线的RF链工作，而连接到车厢内天线的RF链被禁用，这样，客户端在接收数据时对车厢内攻击者产生的干扰相对不敏感。

由于WLAN通信系统中采用CSMA/CA机制来避免客户端收发数据时产生冲突，为了减少对车厢内同一频段内的其他合法用户的通信干扰，在本发明的另一个实施例中，连接到主天线的RF链和连接到车厢内天线的RF链均被启用，也即在客户端通过主天线接收信号时，也会通过车厢内的天线接收信号。这样当车厢内同一频段内的合法用户在发送数据时，客户端即可进行避让，从而减少对该合法用户的干扰。

当客户端仅使用一个RF链时，可以基于功率分配器/合成器将单一射频处理路径分裂成连接到两个天线的、分别用于产生待发射信号和干扰信号的两个RF处理路径。

上述技术方案利用可用的射频链，使得两个空间上分隔开的区域（车厢内外）有两个“版本”的发射信号，其中一个版本发往真正AP，是“可读的”，而另一版本发往车厢内，是普通局域网设备“无法读取的”。从而防止潜在的攻击者拦截从客户端发送到AP的数据。这使得攻击者更难实时收集AP的MAC ID，并使攻击者几乎无法对客户端的探测请求或联合请求作出回应。

该技术方案防止或大大阻碍了攻击者从车厢内进行的某些类型的恶意攻击。尤其是，当攻击者只使用常规设备的情况下，所有需要拦截并正确解码客户端发出的数据包（如协议消息）才能进行的攻击均无法进行。而且，上述方案使用现有的802.11n硬件就能实现，容易实施，成本低，对在同一频段运作的其它系统的干扰较小。

上述方案不仅限于列车，而是可以应用于所有潜在攻击者所在的空间与期望的接收方所在的空间分隔开的场景。例如，这种隔开的空间可以是由墙壁、车厢、船舱、机舱等物体分隔开的，或由于不同的方向而分隔开的等。

此外，上述方案不仅限于客户端，也可以在AP端执行。

例二

图6为本发明一实施例中无线通信设备的应用场景示意图。如图6所示，无线通信设备在和通信对象进行通信时使用的RF链连接到位于第一区域的主天线模块，主天线模块为指向通信对象的方向性天线。无线通信设备的另一RF链通过抽头延迟线（TDL）连接到位于第二区域的方向性天线模块，该方向性天线模块指向与通信对象所在方位不同的另一方向。两个RF链产生两路相同的射频信号，其中一路射频信号将经过线性失真处理成为“干扰信号”。

上述方案中采用的两组天线模块可以是单独的天线，也可以是多个天线或天线阵列，或者是智能天线、自适应天线、波束赋形天线等。

无线通信设备向通信对象发射信号的期间，两个RF链均在工作状态。由于采用方向性天线，第二区域中的潜在攻击者收到的无线电信号主要为经过TDL处理的信号；而通信对象收到的无线电信号主要为未经过TDL处理的“原始”待发射信号，收到的有用信号比干扰信号强得多。

无线通信设备接收数据时，只有连接到主天线的RF链工作，而连接到发射干扰信号的天线的RF链被禁用，这样，无线通信设备在接收数据时对第二区域内攻击者产生的干扰相对不敏感。

上面的两个例子仅仅用于帮助理解本发明实施例提供的技术方案，而不是用于限定本发明的保护范围。本领域技术人员应当明白，本发明实施例提供的技术方案还可以应用于许多其它的场景，限于篇幅，这里不再赘述。

本发明还提供了一种机器可读的存储介质，存储用于使一机器执行如本文所述的收发无线信号方法的指令。具体地，可以提供配有存储介质的系统或者装置，在该存储介质上存储着实现上述实施例中任一实施例的功能的软件程序代码，且使该系统或者装置的计算机（或CPU或MPU）读出并执行存储在存储介质中的程序代码。

在这种情况下，从存储介质读取的程序代码本身可实现上述实施例中任何一项实施例的功能，因此程序代码和存储程序代码的存储介质构成了本发明的一部分。

用于提供程序代码的存储介质实施例包括软盘、硬盘、磁光盘、光盘（如CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM、DVD-RAM、DVD-RW、DVD+RW）、磁带、非易失性存储卡和ROM。可选择地，可以由通信网络从服务器计算机上下载程序代码。

此外，应该清楚的是，不仅可以通过执行计算机所读出的程序代码，而且可以通过基于程序代码的指令使计算机上运行的操作系统等来完成部分或者全部的实际操作，从而实现上述实施例中任意一项实施例的功能。

此外，可以理解的是，将由存储介质读出的程序代码写到插入计算机内的扩展板中所设置的存储器中或者写到与计算机相连接的扩展单元中设置的存储器中，随后基于程序代码的指令使安装在扩展板或者扩展单元上的CPU等来执行部分和全部实际操作，从而实现上述实施例中任一实施例的功能。

综上所述，以上仅为本发明的部分实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的范围之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种无线通信设备，包括：

第一天线模块，用于向第一区域发射信号；

第二天线模块，用于向第二区域发射信号；

处理模块，用于将待发射信号进行线性失真处理得到干扰信号；将所述待发射信号通过第一天线模块发射到第一区域，将所述干扰信号通过第二天线模块发射到第二区域；

其中，第一区域和第二区域为空间上分开的两个区域。

2.根据权利要求1所述的无线通信设备，其中，所述处理模块包括第一射频处理单元、第二射频处理单元和线性失真处理单元，其中：

第一射频处理单元，与第一天线模块相连，用于将所述待发射信号提供给第一天线模块；

第二射频处理单元，与线性失真处理单元相连，用于将所述待发射信号提供给所述线性失真处理单元；

所述线性失真处理单元，与第二天线模块相连，用于对来自第二射频处理单元的待发射信号进行线性失真处理，生成所述干扰信号，将所述干扰信号提供给第二天线模块。

3.根据权利要求1所述的无线通信设备，其中，所述处理模块包括第一射频处理单元、信号分裂单元和线性失真处理单元，其中：

第一射频处理单元，与信号分裂单元相连，用于将待发射信号提供给所述信号分裂单元；

所述信号分裂单元，与第一天线模块和所述线性失真处理单元分别相连，用于将来自第一射频处理单元的待发射信号分裂成两路信号，将得到的其中一路信号提供给第一天线模块，将得到的另一路信号提供给所述线性失真处理单元；

所述线性失真处理单元，与第二天线模块相连，用于对来自所述信号分裂单元的待发射信号进行线性失真处理，生成所述干扰信号，将所述干扰信号提供给第二天线模块。

4.根据权利要求2或3所述的无线通信设备，其中，所述线性失真处理单元的脉冲响应时间大于所述无线通信设备的最大可容忍多径时延。

5.根据权利要求2所述的无线通信设备，其中，所述处理模块进一步包括：

射频控制单元，用于当第一射频处理单元通过第一天线模块接收信号时，使第二射频处理单元停止工作。

6.根据权利要求2所述的无线通信设备，其中，当第一射频处理单元通过第一天线模块接收信号时，第二射频处理单元也通过第二天线模块接收信号。

7.根据权利要求4所述的无线通信设备，其中，所述线性失真处理单元包括以下中的任一个或多个器件组成的滤波网络：

抽头延迟线、带有长脉冲响应的声表面波滤波器、无源滤波器。

8.根据权利要求1所述的无线通信设备，其中：

当第一区域和第二区域位于所述无线通信设备的不同方位时，第一天线模块和/或第二天线模块为方向性天线；

当第一区域和第二区域由遮挡物分隔时，第一天线模块位于第一区域，第二天线模块位于第二区域。

9.根据权利要求1、2、3、8中任一权利要求所述的无线通信设备，其中：

第一天线模块安装在列车的顶部；

第二天线模块安装在列车车厢内部。

10.一种无线通信设备收发无线信号的方法，包括：

对待发射信号进行线性失真处理得到干扰信号；

将所述待发射信号发射到第一区域；

将所述干扰信号发射到第二区域；

其中，第一区域和第二区域为空间上分开的两个区域。

11.根据权利要求10所述的方法，其中：

第一区域和第二区域位于所述无线通信设备的不同方位；或者，

第一区域和第二区域之间由遮挡物分隔。

12.根据权利要求10或11所述的方法，进一步包括：

当在第一区域中接收信号时，禁止在第二区域中接收信号。

13.根据权利要求10或11所述的方法，进一步包括：

当在第一区域中接收信号时，也在第二区域中接收信号。