CN103997736B - 无线通信系统中用于检测窃听者的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无线通信系统中用于确定主动窃听者是否在从发射器到接收器的无线信道上的传输中进行干扰的方法，所述方法包括以下步骤：所述发射器估计所述接收器处的所述无线信道的第一有效信道增益；所述接收器估计所述接收器处的所述无线信道的第二有效信道增益；以及通过比较所述第一和第二有效信道增益确定主动窃听者是否在所述传输中进行干扰。此外，本发明还涉及一种接收器中的方法和一种接收器设备。

Description

无线通信系统中用于检测窃听者的方法
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系统中用于确定主动窃听者是否在发射器和接收器之间的传输中进行干扰的方法和接收器设备。
背景技术
在传统的密码系统中，给每个用户分配一个秘密密钥，然后，例如基站(BS)将消息加密发送给移动用户，这样只有具有正确密钥的用户可以解密并恢复原始消息。该系统可以变得安全，但是会产生密钥分发问题。这种分发既昂贵又不可靠。如果存在一个窃听者设法以某种方式窃取某个用户的密钥，那么到该用户的通信则完全不受保护。在现代社会中，以及模拟战争中，破解密码系统的主要策略是窃取密钥，因为不可能存在任何反对B窃取A的密钥的“数学保护”。此外，将密钥分发给(不夸张的说)数百万客户是很难的任务，并且带来巨大的经济开支和成本。
基于密钥的密码系统的替代方案是物理层安全(PLS)。在PLS中，有人利用这样的事实：用户(读者可以将“用户”视为例如3GPP LTE系统中的移动台或UE)和窃听者(试图窃听传输的敌人)具有不同的通信信道。与每个特定信道相关联的是其香农容量(Shannoncapacity)。香农容量是可以在信道上传输而没有任何比特误差的最高比特率，而且读者可以把香农容量看作是他/她的移动电话可以在任何给定时间内进行操作的最大比特率。该香农容量与密码系统毫无关系，但是以下经典结果建立了联系。
保密容量(SC)定理：假设CIU为目标用户(IU)的香农容量，CED为窃听者(ED)的香农容量。然后，在没有任何正式密码系统的情况下，比特率CSC＝CIU-CED可以很安全地传输到目标用户。
我们通过一个简单的例子说明该结果：A正在市中心附近走动并正以10Mbit/s的比特率下载文档，但是信道实际上很好，A本可以以25Mbit/s(即，信道的香农容量)的速率下载。A故意放弃峰值速率。现在，另一人B，窃听者，也在市中心并可以窃听到A的传输，B的信道的香农容量比A的略差，即，18Mbit/s。根据SC定理，SC是两个香农容量的差值，即，25-18＝7Mbit/s。但是，A正在以高于保密容量的速率下载，这意味着他的传输是不安全的，B可以窃取A的数据。如果A细心的话，A本可以以更低的速率，比如说，3Mbit/s下载，然后A的链路即使在没有密码系统的情况下也是安全的。
现在，先前示例中数字之间的关系表示“正常”(即，小型)MIMO系统，但是对于大规模MIMO系统来说，情况彻底改变。当前的多天线(MIMO)系统在基站侧最多使用8条天线。然而，大规模MIMO系统是研究热点并且是技术领域内的“热门领域”之一。大规模MIMO系统按大于1的数量级增加天线数目，并且在这些场景中不排除1000条天线的基站。大规模MIMO有可能成为未来5G无线系统中的一个关键技术。
对于大规模MIMO来说，窃听者的香农容量与目标用户的香农容量的比值将非常接近于0；越接近于0，基站处的天线越多。这意味着SC几乎完全等同于目标用户的香农容量。在我们的示例中，我们会使CIU＝25Mbit/s，但是具有60到80条天线的CED的典型值将是，比如说，CED＝0.5Mbit/s。因此，用户的数据绝对安全，因为10<25-0.5＝24.5。事实上，用户可以以非常接近峰值数据率的速率进行下载，并且不需要任何密码系统，因为上述SC定理保证了链路的安全。
因此，发明人已经证明了简洁结果：被动窃听者(即，有人正好随意走动且监听到该信道)无法对大规模MIMO系统的PLS造成任何伤害。因此，结果表明聪明的窃听者将会通过使用所谓的导频攻击变为主动模式。窃听者要做的只是简单地传输一些巧妙选择的信号，达到的整体效果是目标用户的一些香农容量将被“窃取”，而问题是目标用户不知道香农容量被窃取了，目标用户只能看出容量变低了。
我们继续举例。窃听者传输少量导频信号，达到的最终效果是CED＝10Mbit/s和CIU＝15Mbit/s，这样CSC＝5Mbit/s，而且由于数据速率是10Mbit/s，其超过了SC，所以传输不再安全。问题是，目标用户只看出目标用户使CIU＝15Mbit/s，但是不知道CED＝10Mbit/s。因此，目标用户不知道传输不安全了且无法采取任何对策。
发明内容
本发明的目的在于提供一种解决方案，这样可以检测到在发射器和接收器之间的传输中进行干扰的主动窃听者。本发明的另一目标是提供一种解决上述提及问题的简单解决方案。
上述提及的目标通过一种无线通信系统中用于确定主动窃听者是否在从发射器到接收器的无线信道上的传输中进行干扰的方法实现，所述方法包括以下步骤：
所述发射器估计所述接收器处的所述无线信道的第一有效信道增益；
所述接收器估计所述接收器处的所述无线信道的第二有效信道增益；以及
通过比较所述第一和第二有效信道增益确定主动窃听者是否在所述传输中进行干扰。
本发明的不同优选实施例在所附独立权利要求中限定。本方法还可以在处理构件中执行并且包括在合适的编码构件中。
根据本发明的另一方面，上述提及的目标通过一种接收器中用于确定主动窃听者是否在从发射器到所述接收器的无线信道上的传输中进行干扰的方法，所述方法包括以下步骤：
接收所述接收器处的所述无线信道的第一有效信道增益，所述第一有效信道增益由所述发射器估计；
估计所述无线信道的第二有效信道增益；以及
通过比较所述第一和第二有效信道增益确定主动窃听者是否在所述传输中进行干扰。
本接收器中的方法可以在合适的接收器设备中实施。
根据本发明，可以有效地检测到在发射器和接收器之间的传输中进行干扰的主动窃听者的存在。此外，该检测可以向所述发射器报告，而且可以保持较小的额外开销，同时额外开销只与量化中的比特数有关。
本发明的其他应用和优点从以下具体说明中显而易见。
附图说明
图1示出了根据本发明的实施例的数据包；以及
图2是本发明的实施例的系统概图和工序流程。
具体实施方式
本发明提供了一种简单而强大的窃听者攻击的解决方案。应注意，本主题到目前为止的现有技术中没有什么讨论。事实上，甚至本发明解决的问题本身，也还未在大规模MIMO系统中观察到，这也意味着不存在现有技术解决方案。
为了更深入地了解本发明，提供了以下背景知识。假设使用大规模MIMO的无线系统在时分双工(TDD)模式下操作，以及训练符号从用户发送，因为BS等发射器处存在太多天线来发送来自用户的正交训练符号。这时，有人依赖信道互易性，并假设下行链路信道＝上行链路信道(可能补偿BS的硬件)。
假设从IU到BS的信道向量为其中βIU是测量IU的遮蔽衰弱的标量，hIU是展示小型衰落的1×M向量，M是MIMO传输中的BS天线数目(假设数目大)。从ED到BS的信道类似地写作
IU将导频符号p传输到BS，BS接收接收器现在从IU估计信道为：
我们用N0表示n/p的方差。
IU通过采取信道估计的复杂转置构建波束成形向量。这样得出了1/M的平均发射功率。
在IU处，有效信道将是y＝αx+w，其中α＝gIUf。渐进地，在M中，我们具有IU处的噪声密度是NIU而且不为BS所知。
同时，由于hIU和hED是独立的，我们使gEDf→0,M→∞，这意味着ED将不接收任何功率，因此就SC等于香农容量而言，即，
SC是完美的。
因此，我们得出结论：具有被动ED的系统不存在威胁，因为ED无法窃听传输。
我们现在改变ED的操作，ED将处于激活状态，并发送覆盖IU的导频信号的导频信号。这是一个最差的案例假设，因为，实际上，ED在时/频中有可能与从IU发送的导频信号不匹配。这样的结果是，一些功率将波束成形到ED而不是到IU。ED会得到多少功率将取决于来自ED和IU的导频信号的相对功率。情况如下：
·BS接收
·BS不知道r是否包含到ED的信道，所以BS将到IU的信道估计为
·IU通过采取信道估计的复杂转置构建波束成形向量。
这样得出了1/M的平均发射功率。
·IU接收信号y=αIUx+w和
·ED接收y=αEDx+w和
·在这种情形下，在IU或BS不知道ED处的SNR可以大于IU处的SNR的情况下，ED处的SNR可以大于IU处的SNR。这可能导致SC变为0。
因此，我们必须开发一种技术以允许系统确定/检测是否存在主动ED在传输中进行干扰。这通过本发明来实现。发射器估计接收器(即，IU)处的无线信道的第一有效信道增益。接收器(IU)估计接收器处的无线信道的第二有效信道增益。最后，通过比较第一和第二有效信道增益确定主动ED是否在从发射器到接收器的传输中进行干扰。
假设主动ED传输一个或多个导频信号以在上述传输中进行干扰。此外，根据本发明的实施例，第一和第二有效信道增益的平方与接收器处的SNR成正比。
可以在系统的任何合适节点(例如，中心控制节点)中执行该确定步骤。该确定步骤可优选地包括计算第一和第二有效信道增益的比值；然后将该比值与阈值比较，以确定主动ED是否在传输中进行干扰。结果表明，该比值可与阈值进行比较，如果该比值等于或小于该阈值，则确定存在ED。然而，应注意，可以比较第一和第二有效信道增益之间的差值以确定主动ED是否在传输中进行干扰，例如，第一和第二有效信道增益的对数值等。
优选模拟和预定义该阈值，以及基于来自发射器的MIMO传输中的发射天线的数目，所以必须确定阈值、进行模拟。这些模拟将针对发射天线的数目M。天线越多，估计将越正确，可以采用阈值更大。
下文中对本发明的实施例的不同步骤进行了更详细的说明。
步骤1：信道估计
发射器形成信道估计其中r是IU的导频时隙内的接收信号，p是导频符号。每元素处的噪声是N0，用于记数方差并意味着AWGN方差是p2N0。我们假设N0的值在发射器处是已知的，其是轻度限制，因为这是一个长期常数并可以通过标准方法估计。如何估计N0不是本发明的一部分。此外，可以在传输带宽之外测量噪声密度，这样可以获得高质量估计。
步骤2：IU有效信道预测
在不存在ED的情况下，IU处的有效信道增益将具有平方量值为了估计该值，我们必须估计βIU。我们可以做到这点，因为我们知道因此，我们可以计算|α|2的估计值为
这种估计值现在将被量化并可以添加到图1中的数据包中。
步骤3：IU处的信道估计
不管是否存在PLS都需要进行该步骤。然而，对于本申请来说，该问题比信道估计问题简单，因为我们不需要任何相位信息。考虑到噪声密度在IU处是已知的，此外，噪声是一个长项常数并可以通过各种方法估计(无论如何在大多数系统中都需要进行这种估计)，那么我们可以估计信道增益的功率为
这是因为我们具有模型y＝αx+w，这样(在单位平均能量符号的标准假设下)y中每个样本的预期功率变为|α|2+N0.IU。这种估计需要相当大的观察窗。在观察窗较短的情况下，可以插入一个专用训练符号。在这种情况下，可以知道y中的第一符号，我们可以假设其为统一的。然后，我们可以根据MMSE标准估计信道增益的功率为
步骤4和5：与阈值的比较和报告
IU现在计算比值(或差值)并将该比值与阈值δ比较。如果则IU声明攻击并通过反馈链路报告给发射器，而发射器停止传输以响应于来自IU的消息。否则，不存在攻击声明，同时传输继续。
因此，根据本发明的实施例，在接收器(IU)中执行该确定步骤。在这方面，根据本发明，提出了同样在上述示例中提及的发射器和接收器之间的新协议。该协议将允许IU来确定是否存在攻击系统的ED。如果存在，IU将通知发射器停止传输。图1给出了根据本发明的数据包的示例。从发射器传输到IU的数据包可具有如图1所示的形式。所需的唯一额外开销是IU处估计的有效信道的量化版本。
总之，参考图1，根据该实施例需要完成以下操作：
·发射器(例如BS)通过预测IU处的有效信道的功率估计信道并将该信息编码到载荷数据包中。
·IU执行IU处的信道估计并计算第二有效信道增益的功率。注意的是，所有系统中都需要该步骤，这样就不会给系统带来任何额外开销。
·IU将第二估计信道增益与从发射器接收的预测的第一有效信道增益比较。
·如果两个增益的比值小于预定义的阈值，则IU声明攻击并通过反馈链路请求发射器停止传输。
图2示出了本发明的实施例的系统概图。该系统在该示例中是蜂窝无线通信系统，例如，LTE或GSM。在系统的下行链路和上行链路中进行传输。然而，应注意，本发明是一种用于检测主动ED的一般方法而且不限于特定的无线通信系统。参考图2：
·在步骤A中，基站将第一有效信道增益传输到移动台。
·在步骤B中，移动台将第一有效信道增益和第二有效信道增益比较，以及确定ED是否在基站和移动台之间的传输中进行干扰。
·在步骤C中，如果步骤2中确定ED在传输中进行干扰，则移动台请求停止传输。
此外，所属领域的技术人员理解到，根据本发明的任何方法也可以在计算机程序中实施，所述计算机程序具有代码构件，当处理构件运行这种代码构件时，致使处理构件执行所述方法的步骤。计算机程序包含于计算机程序产品的计算机可读介质中。计算机可读媒质本质上上可由任何存储器组成，例如ROM(只读存储器)、PROM(可编程只读存储器)、EPROM(可擦除PROM)、闪存存储器、EEPROM(电可擦PROM)或硬盘驱动器。
用于确定主动窃听者是否在从发射器到接收器的无线信道上的传输中进行干扰的本方法在接收器中包括以下步骤：接收接收器处的无线信道的第一有效信道增益，第一有效信道增益由发射器估计；估计无线信道的第二有效信道增益；以及通过比较第一和第二有效信道增益确定主动窃听者是否在传输中进行干扰。
本发明还涉及一种接收器设备，包括合适的构件、元件和单元，并用于执行上述方法。所述构件、单元和元件可以是例如，存储器、处理电路、耦合构件、天线构件、预编码单元、放大器单元等。本接收器可以是LTE系统中的UE等。该接收器可接收来自系统的发射器设备的第一有效信道增益。
用于确定主动窃听者是否在从发射器到接收器的无线信道上的传输中进行干扰的本接收器设备，该设备包括：接收单元，用于接收接收器处的无线信道的第一有效信道增益，该第一有效信道增益由发射器估计；估计单元，用于估计无线信道的第二有效无线增益；以及确定单元，用于通过比较第一和第二有效信道增益确定主动窃听者是否在传输中进行干扰。
接收器，还称为LTE系统中的UE、移动台、无线终端和/或移动终端，用于在蜂窝无线通信系统中进行无线通信。该接收器可进一步称为移动电话、蜂窝电话、平板电脑或者有无线功能的笔记本电脑。本文中的接收器可以为，例如，便携式、口袋式、手持式、计算机内含或车载式的移动设备，其开启后可通过无线接入网络与另一实体进行语音和/或数据通信。
在某些无线接入网络中，若干发射器可以通过比如线路或者微波连接到如通用移动通讯系统(UMTS)中的无线网络控制器(RNC)。该RNC，如在GSM中有时也称为基站控制器(BSC)，可以监督并协调多个与其相连的发射器的各种活动。在第三代移动通信标准化伙伴项目(3GPP)长期演进(LTE)中，发射器，也可称为eNodeB或eNB，可以连接到一个网关，例如无线接入网关，也可以连接到一个或多个核心网。
最后，应了解，本发明并不局限于上述实施例，而是同时涉及且并入所附独立权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (15)

1.一种无线通信系统中用于确定主动窃听者是否在从发射器到接收器的无线信道上的传输中进行干扰的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
所述发射器估计所述接收器处的所述无线信道的第一有效信道增益；
所述接收器估计所述接收器处的所述无线信道的第二有效信道增益；以及
计算所述第一和第二有效信道增益的比值或差值；以及
将所述比值或差值与阈值比较以确定主动窃听者是否在所述传输中进行干扰；
其中，有效信道增益为对信道估计得到的信道增益的功率；
所述第一有效信道增益的平方和所述第二有效信道增益的平方与所述接收器处的信噪比(SNR)成正比。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定步骤由所述接收器执行。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，如果所述比值或差值小于或等于所述阈值，则主动窃听者在所述传输中进行干扰。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述发射器采用到所述接收器的MIMO传输，所述阈值基于所述MIMO传输中的发射天线数目估计。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一有效信道增益的表示被编码到传输到所述接收器的数据包中，所述数据包由所述发射器传输。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：
如果主动窃听者在所述传输中进行干扰，发送一个请求以停止所述传输。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述发射器在接收所述请求时停止所述传输，所述请求由所述接收器发送到所述发射器。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在蜂窝通信系统中，所述发射器是一个基站，所述接收器是一个移动台。
9.一种接收器中用于确定主动窃听者是否在从发射器到所述接收器的无线信道上的传输中进行干扰的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
接收所述接收器处的所述无线信道的第一有效信道增益，所述第一有效信道增益由所述发射器估计；
估计所述无线信道的第二有效信道增益；以及
计算所述第一和第二有效信道增益的比值或差值；以及
将所述比值或差值与阈值比较以确定主动窃听者是否在所述传输中进行干扰；
其中，有效信道增益为对信道估计得到的信道增益的功率；
所述第一有效信道增益的平方和所述第二有效信道增益的平方与所述接收器处的信噪比(SNR)成正比。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，如果所述比值或差值小于或等于所述阈值，则主动窃听者在所述传输中进行干扰。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述发射器采用到所述接收器的MIMO传输，所述阈值基于所述MIMO传输中的发射天线数目估计。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一有效信道增益的表示被编码到传输到所述接收器的数据包中，所述数据包由所述发射器传输。
13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：
如果主动窃听者在所述传输中进行干扰，发送一个请求以停止所述传输。
14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在蜂窝通信系统中，所述发射器是一个基站，所述接收器是一个移动台。
15.一种用于在无线通信系统中进行通信的接收器设备， 并进一步用于确定主动窃听者是否在从发射器到所述接收器的无线信道上的传输中进行干扰，其特征在于，所述接收器设备包括：
接收器，用于接收所述接收器设备处的信道的第一有效信道增益，所述第一有效信道增益由所述发射器估计；
估计器，用于估计所述无线信道的第二有效信道增益；以及
处理器，用于计算所述第一和第二有效信道增益的比值或差值；以及
将所述比值或差值与阈值比较以确定主动窃听者是否在所述传输中进行干扰；
其中，有效信道增益为对信道估计得到的信道增益的功率；
所述第一有效信道增益的平方和所述第二有效信道增益的平方与所述接收器处的信噪比(SNR)成正比。
CN201410182475.7A 2013-07-31 2014-04-30 无线通信系统中用于检测窃听者的方法 Active CN103997736B (zh)

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