CN105847010A - 多用户mimo上行传输中的csi欺骗防范方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用户MIMO上行传输中的CSI欺骗防范方法，目的在于，针对现有IEEE 802.11ac协议标准中存在的安全隐患，有效的验证信道状态信息，防止恶意攻击，保证正常通信，所采用的技术方案为：在上行链路多个用户进行并行数据传输之前，AP向用户发送预定义序列，正常用户将估计出的信道状态信息反馈，而攻击者伪造信道状态信息并反馈，AP随机产生验证码，并对验证码进行预编码，而后定向传输给用户，正常用户能够不受干扰地接收到验证码，而攻击者伪造了自己的信道状态信息CSI，攻击者却不在传输路径上，因此，攻击者不能收到验证码，从而不能向AP反馈来完成验证。

Description

多用户MIMO上行传输中的CSI欺骗防范方法

技术领域

本发明属于无线通信网络安全领域，具体涉及一种多用户MIMO上行传输中的CSI欺骗防范方法。

背景技术

随着无线通信技术的发展，Wi-Fi的协议标准已经经历了许多版本，从IEEE 802.11a、802.11b、802.11g，到802.11n和802.11ac，最明显的改变是数据传输速率的提升。其中802.11n是目前使用最为广泛的协议标准。该标准支持单用户多输入多输出(SU-MIMO)通信。所谓MIMO技术，是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。它能充分利用空间资源，实现空间复用。同时在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量。MIMO技术有效地解决了无线局域网中带宽有限的问题。该技术被收入到IEEE802.11n和IEEE802.11ac协议中。所谓SU-MIMO，它应用在IEEE802.11n协议标准中，是指在同一时刻，仅能服务一个用户，也就是说，多个用户之间需要以类似于CSMA/CA的机制竞争传输信道。而在最新的IEEE 802.11ac协议中，多用户MIMO(MU-MIMO)被提出。这是一种新兴的技术，允许多个用户同时向同一个多天线的AP并行传输数据，并且不会互相干扰。因此，MU-MIMO能够有效地提高网络吞吐量。

在MU-MIMO系统中，有关下行链路通信的研究已经取得了一定的进展。下行链路通信是指从AP端到用户端的数据传输。如图1所示，下行链路的MU-MIMO网络是有AP集中控制的。具体实现的过程是，首先，AP通过迫零波束形成(zero-forcingbeamforming)技术对需要发送的数据进行预编码处理，来产生多个正交的数据流。然后，这些数据流就被定向传输到不同用户。最后，多个用户接收到自己的数据流，并且相互之间不受干扰。

然而，在上行链路MU-MIMO中，上行的数据流是从多个方向传输到AP，在上行链路MU-MIMO网络中，多个用户向AP并行地传输数据流，如图2所示。AP的每个天线接收到多个用户的混合数据。AP需要获取数据流在传输过程中各自的变化特征，才能正确解析混合数据。这种描述信号在传输路径上的衰弱因子称为信道状态信息(CSI)，包括信号散射、环境衰弱、距离衰减等信息。一般情况下，CSI是由接收端评估并将其量化反馈给发送端，反馈示意图如图4。在CSI反馈流中，通常首先由AP向客户端发送预定义序列k。客户端接收到之后，进行CSI估计，最后讲估计结果反馈给AP。整个CSI反馈过程均是由客户端自主控制的。

众所周知，现实的无线网络是不安全的，存在很大的安全隐患。比如Wi-Fi蹭网、Wi-Fi钓鱼窃取账号密码等等。攻击者无处不在。在上行链路MU-MIMO中，多个用户同时向AP传输数据。AP为了正确解析混合的数据，需要多个用户正确汇报自己的CSI。如果在多个用户中，存在恶意的攻击者，向AP反馈伪造的CSI，将会使AP解析结果出错，严重地会造成整个上行链路MU-MIMO网络瘫痪。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提出一种针对现有IEEE 802.11ac协议标准中存在的安全隐患，能够有效的验证信道状态信息，防止恶意攻击，保证正常通信的多用户MIMO上行传输中的CSI欺骗防范方法。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为，包括以下步骤：

1)信道状态信息反馈：

1.1)在上行链路多个用户进行并行数据传输之前，AP向用户发送预定义序列U，该序列U是AP和用户均已知的；

1.2)正常用户和攻击者接收到验证信息y＝U＊h，h为信道状态信息；

1.3)正常用户和攻击者估计信道状态信息h＝y/U；

1.4)正常用户将估计出的信道状态信息h反馈给AP；而攻击者伪造信道状态信息h＇，并反馈给AP；

3)验证码的处理与发送：

2.1)AP随机产生验证码k；

2.2)AP根据步骤1.4)用户反馈的信道状态信息对验证码k做预编码；

2.3)AP将预预编码后的验证码k定向发送给用户；

3)验证码的估计与反馈：对于正常用户，接收到验证信息y＝k＊h，估计验证码k＝y/h，将k反馈给AP，正常用户验证成功；对于攻击者，AP发送的验证信息朝着伪造的信道状态路径传输，而攻击者并不在该传输路径上，攻击者不能收到验证信息，攻击者验证失败。

所述的步骤2.1)中AP通过真随机码产生器产生验证码k。

所述的AP通过实时测量的处理器温度值作为真随机源，并产生验证码k。

所述的步骤2.2)中AP利用ZF-BF技术对验证码k做预编码。

所述ZF-BF技术通过设置AP天线的振幅和相位参数来对验证码k进行预编码处理，实现验证码k的同时定向传输。

所述的预编码公式如下：

y＝m+n，

其中，y是用户收到的数据，m是用户期望收到的数据，n是高斯白噪声。

所述的预编码公式的推导如下：

ZF-BF技术的预编码公式为：

y＝Hx+n＝HCm+n，

其中，y是用户收到的数据，H是信道状态信息(CSI)，m是用户期望收到的数据，n是高斯白噪声，x是AP经过预编码之后实际发出的数据，C为预编码矩阵，用来对其他并行传输信号产生的干扰置零，采用信道反转来实现零干扰，即C＝H^*(H^*H)^-1，H^*是H的转置共轭矩阵，则有：

y＝HH^*(H^*H)^-1m+n＝m+n。

所述的步骤3)中用户对验证码k的反馈，如在规定时间内AP接收到反馈的验证码，则用户验证通过；如超时则验证失败。

与现有技术相比，本发明在上行链路多个用户进行并行数据传输之前，AP向用户发送预定义序列，正常用户将估计出的信道状态信息反馈，而攻击者伪造信道状态信息并反馈，AP随机产生验证码，并对验证码进行预编码，而后定向传输给用户，正常用户能够不受干扰地接收到验证码，而攻击者伪造了自己的信道状态信息CSI，攻击者却不在传输路径上，因此，攻击者不能收到验证码，从而不能向AP反馈来完成验证，本发明考虑到了在上行链路MU-MIMO网络中存在的安全隐患，CSI的易损性，攻击者可以利用这一点破坏整个网络的正常通信，本发明针对这样的安全的隐患，能够有效的检测到攻击者的CSI欺骗，从而保证了上行网络的正常通信。

进一步，为了使验证码不容易被攻击者获取到，验证码的随机性一定要得到保证，本发明选取一个真随机码产生器，在协议算法中，AP通过实时测量的处理器温度值作为真随机源，产生验证码，更加保证了验证码产生的随机性，保证了本发明的有效性。

进一步，AP基于各个用户反馈的CSI，利用ZF-BF技术设置AP天线的振幅和相位参数来对验证码进行预编码处理，实现验证码的同时定向传输，如果不用波束成形技术，验证码相当于是广播出去，所有方向上的信号能量是类似的。而利用波束成形，验证码就相当于是定向传输，只有在特定方向上的信号能量较大，其他方向上是很小的。所以波束成形技术能够保证AP定向地传输数据流，在攻击模型中，AP基于汇报的CSI向用户定向传输波束，正常用户能够不受干扰地接收到验证码，而攻击者却不在传输路径上，攻击者不能收到验证码，从而不能向AP反馈来完成验证。

附图说明

图1是下行链路MU-MIMO网络图；

图2是上行链路MU-MIMO网络图；

图3是上行链路MU-MIMO网络的系统模型；

图4为本发明的信道状态信息验证流程图；

图5是本发明的信道状态信息反馈流程图；

图6是本发明的干扰攻击模型图；

图7a是本发明实施例验证正常用户流图；图7b是本发明实施例验证攻击者流图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例和说明书附图对本发明作进一步的解释说明。

本发明的目的在于，针对现有IEEE 802.11ac协议标准中存在的安全隐患，具体指信道状态信息(CSI)的易损性，建立一种在上行链路MU-MIMO网络中易发生且损害性很强的攻击模型，提出能够防止该攻击产生的信道状态信息(CSI)的验证算法。

参见图3，首先介绍MU-MIMO上行链路网络的系统模型，系统中有一个AP，三个用户，分别为Alice、Bob和Eve。AP含有三根天线，用户各含有一根天线。第j个用户到AP第i根天线的上行CSI可以表示为一个频域复数参数h_ij。因此，整体的CSI能够表示成3×3矩阵其中，第i行向量h_i表示从三个用户的天线到AP第i个接收天线的CSI。因此，AP接收到的信号y能表示成：

$\left(\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\\ y_3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}{h}_{11}& h_{12}& h_{13}\\ h_{21}& h_{22}& h_{23}\\ h_{31}& h_{32}& h_{33}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\\ x_3\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{n}_1\\ n_2\\ n_3\end{array}\right)---\left(3\right)$

其中，3×1向量x＝[x₁,x₂,x₃]^T表示来自三个并行传输用户的信号，3×1向量y＝[y₁,y₂,y₃]^T表示AP三根天线收到的信号，3×1向量n＝[n₁,n₂,n₃]^T表示附加的高斯白噪声。由(1)可知，信号y是x₁、x₂和x₃的以h_ij为参数的组合。所以要解析出x，AP需要知道CSI才能将数据解析出来。

然后基于以上模型，如果AP获取的CSI不正确，则AP解析出错。因此提出在上行链路MU-MIMO网络中破坏性很强的攻击模型，用户先向AP进行CSI反馈如图5所示，接着用户进行并行数据传输，最后AP利用非线性均衡方法进行数据解析。

本发明的攻击模型，具体流程如图6所示，假设在上行链路网络中有三个用户，分别是Alice、Bob和Eve，其中Eve是恶意攻击者。攻击的整个过程可以大致分为以下四步完成：

步骤1)CSI反馈

Alice和Bob向AP汇报真实估计的CSI，同时，Eve汇报伪造的CSI给AP。在AP接收到CSI反馈之后，进入下一步骤；

步骤2)并行数据传输

Alice、Bob和Eve同时向AP传输数据。在数据传输结束之后，进入下一步骤；

步骤3)AP数据接收

AP接收到混合的数据。在AP接收完数据之后，进入下一步骤；

步骤4)数据解析

AP基于用户反馈的CSI利用非线性均衡的方法进行数据解析。

由于攻击者Eve反馈伪造CSI，导致AP不能正确解析混合数据，使得不能正常接收Alice和Bob的数据。如果Eve连续发送伪造CSI，最终会导致整个上行链路网络瘫痪。

为了解决这种恶意的干扰攻击，我们提出相应的解决方案。由上面的攻击可知，CSI的准确性是AP能够正确解析数据的关键。因此，预防这种干扰攻击的关键就是检测出错误的CSI和恶意的用户。基于以上的观察，我们设计了CVU(CSI Validation Algorithm of Uplink)，一种有效的验证CSI算法，用来检测上行用户的CSI欺骗，简要流程如图4和图5。

本发明分以下三步完成：

步骤1)验证码的产生

作为CVU算法的关键，验证码的随机性一定要得到保证。否则，验证码很容易被攻击者获取到，会影响CVU的有效性。因此，我们选取一个真随机码产生器。真随机码产生器通常用物理的过程来增强随机性。在我们的协议算法中，AP通过实时测量的处理器温度值作为真随机源，产生验证码。

步骤2)验证码的预编码与发送

AP基于各个用户反馈的CSI，利用ZF-BF(Zero-forcing Beamforming)技术设置AP天线的振幅和相位参数来对验证码进行预编码处理，实现验证码的同时定向传输。

AP通过迫零波束形成(zero-forcingbeamforming)技术对需要发送的数据进行预编码处理，来产生多个正交的数据流。然后，这些数据流就被定向传输到不同用户。最后，多个用户接收到自己的数据流，并且相互之间不受干扰，波束形成预编码技术如公式(1)所示，

y＝Hx+n＝HCm+n (1)

其中，y是用户收到的数据，H是信道状态信息(CSI)，m是用户期望收到的数据，x是AP经过预编码之后实际发出的数据。C即为预编码矩阵，用来对其他并行传输信号产生的干扰置零。一般用信道反转来实现零干扰，即C＝H^*(H^*H)^-1，则：

y＝HH^*(H^*H)^-1m+n＝m+n (2)，

数据被零干扰地发送到接收方，接受用户收到的刚好只是自己期盼的数据m。

步骤3)验证码反馈

用户接收到验证码之后，将其按照图5所示过程反馈给AP，完成CSI验证过程。

本发明算法能够有效地检测CSI欺骗，AP利用波束成形技术对验证码进行预处理，然后将其发送出去。如果不用波束成形技术，验证码相当于是广播出去，所有方向上的信号能量是类似的。而利用波束成形，验证码就相当于是定向传输，只有在特定方向上的信号能量较大，其他方向上是很小的。所以，波束成形技术可以保证AP定向地传输数据流。在我们的攻击模型中，AP基于汇报的CSI向用户定向传输三个波束，正常用户能够不受干扰地接收到验证码，而攻击者却不在传输路径上。因为攻击者伪造了自己的CSI。因此，攻击者不能收到验证码，从而不能向AP反馈来完成验证。

如图7a所示，AP验证一个合法用户，分为以下三步完成：

步骤1)CSI反馈：在上行链路多个用户进行并行数据传输之前，需要先进行CSI反馈。

(1)AP向用户发送预定义序列U，该序列U是AP和用户均已知的；

(2)用户接收到y＝U＊h(h为信道状态信息)；

(3)用户估计信道状态信息h＝y/U；

(4)用户将估计出的CSI h反馈给AP。

步骤2)验证码的处理与发送：AP基于用户反馈的CSI对验证码做预处理，并发送出去。

(1)AP通过真随机码产生器产生验证码k；

(2)利用ZF-BF技术，根据反馈的CSI h对验证码k做预编码；

(3)将预处理后的验证码k发送出去。

步骤3)验证码的估计与反馈

用户在接收到验证码之后，需要正确估计出验证码，并将其反馈给AP，从而完成验证。

(1)用户接收到y＝k＊h；

(2)用户估计验证码k＝y/h；

(3)用户将k反馈给AP；

需要说明的一点是，用户进行验证码反馈是有时间限制的，如果在规定时间范围之内AP接收到反馈的验证码，则用户验证通过；如果超时，则验证失败。

如图7b所示，AP验证一个恶意用户，仍分为以下三步完成：

步骤1)CSI反馈

(1)AP向攻击者发送预定义序列U，该序列U是AP和用户均已知的；

(2)攻击者接收到y＝U＊h(h为信道状态信息)；

(3)攻击者估计信道状态信息h＝y/U；

(4)攻击者伪造CSIh＇，将其汇报给AP。

步骤2)验证码的处理与发送

(1)AP通过真随机码产生器产生验证码k；

(2)利用ZF-BF技术，根据反馈的CSI h＇对验证码k做预编码；

(3)将预处理后的验证码k发送出去。

步骤3)验证码的估计与反馈

由于攻击者反馈的是伪造CSI，而AP是按照反馈的CSI对验证码进行预编码，最终形成的定向波束是朝着伪造的CSI路径传输，然而攻击者并不在AP定向传输数据的路径上，也就是说，攻击者不能收到任何有关验证的信息。在规定的时间范围之内，AP没有收到反馈的验证码。最终，攻击者验证失败。

本发明考虑到了在上行链路MU-MIMO网络中存在的安全隐患，CSI的易损性，攻击者可以利用这一点破坏整个网络的正常通信。本发明针对这样的安全的隐患，设计出一种有效的防御措施CVU，能够有效的检测到攻击者的CSI欺骗，从而保证了上行网络的正常通信。而现有的技术并没有考虑到上行通信中隐藏的威胁。综上所述，本发明的CSI验证方法能够有效防止上行链路网络中攻击者的CSI欺骗。另外，该协议只是在AP端进行部署与修改，并不需要在用户端有所修改，所以CVU更易大规模部署与应用。

Claims (8)

1.一种多用户MIMO上行传输中的CSI欺骗防范方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)信道状态信息反馈：

1.1)在上行链路多个用户进行并行数据传输之前，AP向用户发送预定义序列U，该序列U是AP和用户均已知的；

1.2)正常用户和攻击者接收到验证信息y＝U＊h，h为信道状态信息；

1.3)正常用户和攻击者估计信道状态信息h＝y/U；

1.4)正常用户将估计出的信道状态信息h反馈给AP；而攻击者伪造信道状态信息h′，并反馈给AP；

2)验证码的处理与发送：

2.1)AP随机产生验证码k；

2.2)AP根据步骤1.4)用户反馈的信道状态信息对验证码k做预编码；

2.3)AP将预预编码后的验证码k定向发送给用户；

3)验证码的估计与反馈：对于正常用户，接收到验证信息y＝k＊h，估计验证码k＝y/h，将k反馈给AP，正常用户验证成功；对于攻击者，AP发送的验证信息朝着伪造的信道状态路径传输，而攻击者并不在该传输路径上，攻击者不能收到验证信息，攻击者验证失败。

2.根据权利要求1所述的一种多用户MIMO上行传输中的CSI欺骗防范方法，其特征在于，所述的步骤2.1)中AP通过真随机码产生器产生验证码k。

3.根据权利要求2所述的一种多用户MIMO上行传输中的CSI欺骗防范方法，其特征在于，所述的AP通过实时测量的处理器温度值作为真随机源，并产生验证码k。

4.根据权利要求1所述的一种多用户MIMO上行传输中的CSI欺骗防范方法，其特征在于，所述的步骤2.2)中AP利用ZF-BF技术对验证码k做预编码。

5.根据权利要求4所述的一种多用户MIMO上行传输中的CSI欺骗防范方法，其特征在于，所述ZF-BF技术通过设置AP天线的振幅和相位参数来对验证码k进行预编码处理，实现验证码k的同时定向传输。

6.根据权利要求5所述的一种多用户MIMO上行传输中的CSI欺骗防范方法，其特征在于，所述的预编码公式如下：

y＝m+n，

其中，y是用户收到的数据，m是用户期望收到的数据，n是高斯白噪声。

7.根据权利要求6所述的一种多用户MIMO上行传输中的CSI欺骗防范方法，其特征在于，所述的预编码公式的推导如下：

ZF-BF技术的预编码公式为：

y＝Hx+n＝HCm+n，

其中，y是用户收到的数据，H是信道状态信息(CSI)，m是用户期望收到的数据，n是高斯白噪声，x是AP经过预编码之后实际发出的数据，C为预编码矩阵，用来对其他并行传输信号产生的干扰置零，采用信道反转来实现零干扰，即C＝H^*(H^*H)^-1，H^*是H的转置共轭矩阵，则有：

y＝HH^*(H^*H)^-1m+n＝m+n。

8.根据权利要求1所述的一种多用户MIMO上行传输中的CSI欺骗防范方法，其特征在于，所述的步骤3)中用户对验证码k的反馈，如在规定时间内AP接收到反馈的验证码，则用户验证通过；如超时则验证失败。