CN106936482A - 基于导频相关和功率联合检测的大规模mimo系统主动攻击检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于导频相关和功率联合检测的大规模MIMO系统主动攻击检测方法，该方法包括如下步骤：(1)基站覆盖区域内的每个用户在数据训练期间需向基站发送两段导频，其中第一段为用户固定导频，第二段导频是第一段导频的随机循环移位；(2)基站接收到某用户的训练导频后，首先对两段导频作循环移位相关，如果相关结果存在两个超过相关门限的峰值，那么判定主动攻击对手存在；(3)如果相关结果仅存在一个超过相关门限的峰值，那么通过该峰值的功率是否超过功率门限判断是否存在主动攻击对手。本发明充分利用了导频相关和信号功率来联合检测主动攻击对手，相比于单使用导频相关或者功率检测的方案，该方法受信噪比影响小，且能进一步提高检测的准确性。

Description

基于导频相关和功率联合检测的大规模MIMO系统主动攻击检 测方法

技术领域

本发明涉及一种无线数字通信系统针对主动攻击对手的检测方法。尤其涉及在信道相干时间较长的情况下，利用导频相关和功率联合检测提高检测有效性和可靠性，一种应用于大规模MIMO数字通信系统的主动攻击检测方法。

背景技术

大规模MIMO技术是MIMO技术的延伸。大规模MIMO系统在基站覆盖区域内用大规模阵列方式布置了数十根甚至上百根低功耗天线，因此小区内的多个用户可以在相同时频资源上利用空间自由度与基站同时通信，从而提升频谱资源的复用能力和各用户的频谱效率；此外，利用大量天线带来的分集和阵列增益，还能提高基站和用户通信的功率效率。同时，由于大规模MIMO系统的基站天线数量趋于无穷，不同用户之间的信道将呈现渐进正交性，故用户间干扰得以消除，大量天线还使信道AWGN和快衰落等负面影响被有效平均，从而显著提高数据传输速率。目前，大规模MIMO由于其特性满足未来通信发展需求，该技术已经成为5G移动通信最具潜力的研究方向之一。

当然，大规模MIMO也存在一些必须解决的问题。在多小区大规模MIMO系统中，频率复用引起的同道干扰会严重影响系统性能。此外，由于大规模MIMO系统同时服务众多用户，因此需在不同小区复用相同导频序列，由此会产生“导频污染”，而导频污染是限制大规模MIMO极限性能的唯一因素。

现有的研究证明大规模MIMO基站配置的成百上千的天线使得系统容量、频谱效率以及能量效率大幅提升，而天线数量的增加同时使大规模MIMO具有对抗被动窃听者的天然优势。由于基站天线数量庞大，如果发送端对发送信号进行预编码等处理，合法接收者的接收能量可能是被动窃听者的几十倍甚至上百倍，这样主信道容量远远大于窃听信道容量，使得保密容量逼近主信道容量，因此大规模MIMO具有天然对抗被动窃听的优势。

针对大规模MIMO能够对抗被动窃听的特性，目前对该系统的有效攻击形式为主动攻击。时分双工系统中，如果对手在合法用户发送上行导频的同时发送相同导频，将会影响基站的上行信道估计，使信道估计结果与窃听信道相关，这样会导致系统的保密容量大幅降低。对手发送导频、干扰信道估计结果的攻击方式类似“导频污染”问题。但与导频污染不同，对手的存在及发送导频是不确定的，因此对抗导频污染的传统方法并不适用。对抗这类使用主动攻击的对手，最重要的步骤就是发现其存在。目前检测主动窃听的方法有功率检测、相关检测、导频加密和人工噪声加扰等。但每种单一的方案均存在自身不足，因此可以结合不同方案的优点，进一步提高检测的有效性和可靠性。

发明内容

本发明的目的是针对大规模MIMO系统特性，提供一种基于导频相关和功率联合检测的主动攻击检测方法，该方法可以充分利用训练导频和对手攻击特性进一步提高主动攻击对手检测的准确性。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

(1)基站覆盖区域内的每个用户在数据训练期间需向基站发送两段训练导频，其中第一段导频是用户固定导频，第二段导频是第一段导频的随机循环移位；

设合法用户两段训练导频的长度均为N，基站第m根天线到合法用户的信道h_b,m在训练期间保持不变，表示基站第m根天线接收到的合法用户发送的第l段训练导频，具体表达式为：

其中P_b为合法用户每个符号的平均传输功率，β_b为合法信道的大尺度衰落系数，合法用户发送的第一段训练导频是长度为N的用户固定导频，第二段训练导频是的随机循环移位，两段导频的平均功率相同，i_b为相对于的循环移位数。

用h_e,m表示基站第m根天线到攻击对手的信道，表示基站第m根天线接收到的攻击对手发送的第l段训练导频，具体表达式为：

其中P_e为攻击对手每个符号的平均传输功率，β_e为窃听信道的大尺度衰落系数，攻击对手能获得合法用户的固定导频，有攻击对手的第二段训练导频是的随机循环移位。i_e为相对于的循环移位数。

(2)基站接收到某用户的训练导频后，首先对两段导频作循环移位相关；

用以下方式构造1×N的检测矢量k中的组成元素k_j：

其中x^*(·)表示x(·)的共轭，((·))_N表示对长度为N的序列的循环移位，M为基站总天线数。当没有攻击对手时否则从上式可见，当j正好是第二段导频相对于第一段导频的循环移位值时，此时的k_j是两段相同序列相同点对应相乘的相关结果，k_j较其他值将会出现明显峰值。

由于攻击对手仅能事先获得合法用户第一段导频信息，而第二段导频是第一段随机j点的循环移位结果，当攻击对手第二段训练导频的循环移位方式与合法用户不同时，由于基站接收到合法用户和攻击对手的叠加导频，相关运算将会出现两次训练导频完全相关的结果，即出现两个明显的峰值。

若j₁为合法用户第二段导频相对于第一段导频的循环移位，那么

这里认为大规模MIMO基站天线数M趋向无穷。

若j₂为攻击对手第二段导频相对于第一段导频的循环移位，那么

只要j₁≠j₂，检测矢量k中将会出现两个明显的峰值和此时可以判定主动攻击对手存在；

(3)当攻击对手第二段训练导频的循环移位方式与合法用户恰好相同时，即j₁＝j₂时相关结果仅出现一个明显的峰值k_j，此时无法从相关结果峰值数量判断攻击对手是否存在。但是由于基站接收信号叠加了攻击对手的导频，因此可以利用单峰值功率进行辅助检测。

当攻击对手不存在时，若j是第二段导频相对于第一段的循环移位，那么检测结果的单峰值k_j：

当攻击对手存在且第二段训练导频的循环移位方式与合法用户恰好相同时，检测结果的单峰值k_j：

攻击对手的存在使单峰值增大了因此可以通过单峰值是否超过功率门限以辅助判断攻击对手是否存在。设置功率门限k₀：

其中φ为用于调整门限的参数。相关结果若超过该门限k₀，则认为攻击对手存在。

进一步地，基于导频相关和功率联合检测的大规模MIMO系统主动攻击检测方法，每段导频长度为N，推荐长度N≥32。

进一步地，基于导频相关和功率联合检测的大规模MIMO系统主动攻击检测方法，要求基站配置天线数足够大，推荐M≥64。

本发明具有的有益效果是：充分考虑大规模MIMO的数据传输方式，设计特定的导频长度和导频模式；由于大规模MIMO系统基站配置的大量天线使信道AWGN和快衰落等负面影响被有效平均，根据信道相干时间较长的特点，可以采用一定长度的两段特定导频，充分利用导频结构进行相关运算，并利用对手攻击特点作功率辅助检测，在不增加检测处理复杂度的情况下进一步提高了攻击检测的有效性和可靠性。

附图说明

图1是大规模MIMO通信窃听模型示意图；

图2是本发明中数据帧结构示意图。

图3是本发明中无攻击对手时的检测结果示意图。

图4是本发明中有攻击对手时的多峰值检测结果示意图。

图5是本发明中有攻击对手时的单峰值检测结果示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案和优点变得更加清晰，接下来将结合附图对技术方案的具体实施方式作更加详细地说明：

方案的实施基于如图1所示的通信窃听模型。该模型包含三个节点：发射基站、合法接收用户和主动攻击对手。在时分双工大规模MIMO系统中，发射基站配置了M根发射天线，基站覆盖区域内的合法接收用户使用单天线接收，半双工模式的攻击对手可能配置单根或多根接收天线。为了使基站能在下行传输时对传输信号进行预编码，合法用户需对基站发送上行导频，以便基站利用信道互易性估计下行信道。由于被动窃听在大规模MIMO系统中几乎不起作用，攻击对手需在基站和合法接收用户通信期间主动发射信号以干扰传输信息。

大规模MIMO系统通信时，采用两段传输方案传输数据，如图2所示。该传输方案将一个数据帧内的信息分为两个传输阶段，分别是训练段和数据通信段。设数据帧的持续时间为T，在开始的训练段T_r内，用户向基站发送用于信道估计的训练导频，在之后的数据通信段T_d＝T-T_r内，基站向用户传输有效数据。攻击对手在开始的训练段T_r期间主动发射信号干扰基站接收导频，以影响基站的信道估计和预编码结果。

本发明针对大规模MIMO系统特点，提出了一种基于导频相关和功率联合检测的大规模MIMO系统主动攻击检测方法，该方法充分利用了训练导频模式和对手攻击特点来进一步提高攻击对手检测的准确性。具体包括如下步骤：

1、大规模MIMO基站配置64根天线，基站覆盖区域内的每个用户在数据训练期间需向基站发送两段导频长度N分别为32的训练导频。其中第一段是可以被攻击对手获知的合法用户固定导频，第二段导频是第一段导频的随机循环移位；

基站覆盖区域内的合法用户两段训练导频的长度均为32，基站第m根天线到合法用户的信道h_b,m在训练期间保持不变，表示基站第m根天线接收到的合法用户发送的第l段训练导频，具体表达式为：

其中P_b为合法用户每个符号的平均传输功率，β_b为合法信道的大尺度衰落系数，合法用户发送的第一段训练导频是长度为32的用户固定导频，第二段训练导频是的随机循环移位，两段导频的平均功率相同，i_b为相对于的循环移位数。

用h_e,m表示基站第m根天线到攻击对手的信道，表示基站第m根天线接收到的攻击对手发送的第l段训练导频，具体表达式为：

其中P_e为攻击对手每个符号的平均传输功率，β_e为窃听信道的大尺度衰落系数，攻击对手能获得合法用户的固定导频，有攻击对手的第二段训练导频是的随机循环移位。i_e为相对于的循环移位数。

(2)配置了64根天线的基站接收到训练导频信号后，首先对两段导频作循环移位相关；

用以下方式构造1×32的检测矢量k中的组成元素k_j：

其中x^*(·)表示x(·)的共轭，((·))₃₂表示对长度为32的序列的循环移位。当没有攻击对手时否则其中，1≤m≤64,1≤l≤2。从上式可见，当j正好是第二段导频相对于第一段导频的循环移位值时，此时的k_j是两段相同序列相同点对应相乘的相关结果，k_j较其他值将会出现明显峰值。没有攻击对手时的峰值如图3所示。

攻击对手仅能获得合法用户第一段导频信息，而第二段导频是第一段随机j点的循环移位结果。因此当攻击对手第二段训练导频的循环移位j₂与合法用户的循环移位j₁不同时，由于基站接收到合法用户和攻击对手的叠加导频，相关运算将会出现两次训练导频完全相关的结果，检测矢量k中将会出现两个明显的峰值和

若j₁为合法用户第二段导频相对于第一段导频的循环移位，那么

若j₂为攻击对手第二段导频相对于第一段导频的循环移位，那么

只要j₁≠j₂，检测矢量k中将会出现如图4所示的两个明显峰值和此时可以判定主动攻击对手存在；

(3)当攻击对手第二段训练导频的循环移位方式与合法用户恰好相同时，即j₁＝j₂时相关结果仅出现一个明显的峰值k_j，此时无法从相关结果峰值数量判断攻击对手是否存在。但是由于基站接收信号叠加了攻击对手的导频，因此可以利用单峰值功率进行辅助检测。

当攻击对手不存在时，若j是第二段导频相对于第一段的循环移位，那么检测结果的单峰值k_j：

当攻击对手存在且第二段训练导频的循环移位方式与合法用户恰好相同时，检测结果的单峰值k_j：

攻击对手的存在使单峰值增大了因此可以通过单峰值是否超过功率门限以辅助判断攻击对手是否存在。设置功率门限k₀：

其中φ为用于调整门限k₀的参数，可设置若增大φ，能降低误检率降低检测率，反之则会提高误检率和检测率。相关结果若超过该门限k₀，则认为攻击对手存在。

当攻击对手存在且第二段训练导频的循环移位方式与合法用户恰好相同时，检测结果的单峰值如图5所示。将图3与图5相比，显然存在主动攻击对手时图5的单峰值比图3的峰值大得多。

本发明是一种应用于大规模MIMO的基于导频相关和功率联合检测的主动攻击检测方法。针对大规模MIMO系统特征和攻击对手特点实现的一种主动攻击对手检测方法，我们要求将作为发明进行保护。以上所述仅为特定应用场合的具体实施方式，但本发明的真实精神和范围不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员可以修改、等同替换、改进等，实现不同应用场合的信道估计方法。本发明由权利要求书及其等效技术方案来限定。

Claims (3)

1.一种基于导频相关和功率联合检测的大规模MIMO系统主动攻击检测方法，具体包括如下步骤：

(1)基站覆盖区域内的每个用户在数据训练期间需向基站发送两段训练导频，其中第一段导频是用户固定导频，第二段导频是第一段导频的随机循环移位；

设合法用户两段训练导频的长度均为N，基站第m根天线到合法用户的信道h_b,m在训练期间保持不变，表示基站第m根天线接收到的合法用户发送的第l段训练导频，具体表达式为：

$x_{m,1}^b=\sqrt{P_b{\mathrm{\β}}_b}{h}_{b,m}{p}_1^b=\sqrt{P_b{\mathrm{\β}}_b}{h}_{b,m}\[p_1^b,p_2^b,\mathrm{...},p_N^b\]$

$x_{m,2}^b=\sqrt{P_b{\mathrm{\β}}_b}{h}_{b,m}{p}_2^b=\sqrt{P_b{\mathrm{\β}}_b}{h}_{b,m}\[p_{i_b}^b,p_{i_b+1}^b,\mathrm{...},p_N^b,p_1^b,p_2^b,\mathrm{...},p_{i_b-1}^b\]$

其中P_b为合法用户每个符号的平均传输功率，β_b为合法信道的大尺度衰落系数，合法用户发送的第一段训练导频是长度为N的用户固定导频，第二段训练导频是的随机循环移位，两段导频的平均功率相同，i_b为相对于的循环移位数。

用h_e,m表示基站第m根天线到攻击对手的信道，表示基站第m根天线接收到的攻击对手发送的第l段训练导频，具体表达式为：

$x_{m,1}^e=\sqrt{P_e{\mathrm{\β}}_e}{h}_{e,m}{p}_1^e=\sqrt{P_e{\mathrm{\β}}_e}{h}_{e,m}\[p_1^e,p_2^e,\mathrm{...},p_N^e\]$

$x_{m,2}^e=\sqrt{P_e{\mathrm{\β}}_e}{h}_{e,m}{p}_2^e=\sqrt{P_e{\mathrm{\β}}_e}{h}_{e,m}\[p_{i_e}^e,p_{i_e+1}^e,\mathrm{...},p_N^e,p_1^e,p_2^e,\mathrm{...},p_{i_e-1}^e\]$

其中P_e为攻击对手每个符号的平均传输功率，β_e为窃听信道的大尺度衰落系数，攻击对手能获得合法用户的固定导频，有攻击对手的第二段训练导频是的随机循环移位。i_e为相对于的循环移位数。

(2)基站接收到某用户的训练导频后，首先对两段导频作循环移位相关；

用以下方式构造1×N的检测矢量k中的组成元素k_j：

$k_j=\frac{1}{M}\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{x}_{m,1}^{*}\left(i\right)x_{m,2}{\left(\right(i-j\left)\right)}_N,1\≤j\≤N$

其中x^*(·)表示x(·)的共轭，((·))_N表示对长度为N的序列的循环移位，M为基站总天线数。当没有攻击对手时否则从上式可见，当j正好是第二段导频相对于第一段导频的循环移位值时，此时的k_j是两段相同序列相同点对应相乘的相关结果，k_j较其他值将会出现明显峰值。

由于攻击对手仅能事先获得合法用户第一段导频信息，而第二段导频是第一段随机j点的循环移位结果，当攻击对手第二段训练导频的循环移位方式与合法用户不同时，由于基站接收到合法用户和攻击对手的叠加导频，相关运算将会出现两次训练导频完全相关的结果，即出现两个明显的峰值。

若j₁为合法用户第二段导频相对于第一段导频的循环移位，那么

$k_{j_1}=\underset{M\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{M}\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\[x_{m,1}^b\left(i\right)+x_{m,1}^e\left(i\right)\]}^{*}\[x_{m,2}^b{\left(\right(i-j_1\left)\right)}_N+x_{m,2}^e{\left(\right(i-j_1\left)\right)}_N\]\≈P_b{\mathrm{\β}}_{b}E\left|h_b{|}^2\right|\left|p_1^b\right|{|}^2$

这里认为大规模MIMO基站天线数M趋向无穷。

若j₂为攻击对手第二段导频相对于第一段导频的循环移位，那么

$k_{j_2}=\underset{M\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{M}\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\[x_{m,1}^b\left(i\right)+x_{m,1}^e\left(i\right)\]}^{*}\[x_{m,2}^b{\left(\right(i-j_2\left)\right)}_N+x_{m,2}^e{\left(\right(i-j_2\left)\right)}_N\]\≈P_e{\mathrm{\β}}_{e}E\left|h_e{|}^2\right|\left|p_1^e\right|{|}^2$

只要j₁≠j₂，检测矢量k中将会出现两个明显的峰值和此时可以判定主动攻击对手存在；

(3)当攻击对手第二段训练导频的循环移位方式与合法用户恰好相同时，即j₁＝j₂时相关结果仅出现一个明显的峰值k_j，此时无法从相关结果峰值数量判断攻击对手是否存在。但是由于基站接收信号叠加了攻击对手的导频，因此可以利用单峰值功率进行辅助检测。

当攻击对手不存在时，若j是第二段导频相对于第一段的循环移位，那么检测结果的单峰值k_j：

$k_j=\frac{1}{M}\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{x_{m,1}^b}^{*}\left(i\right)x_{m,2}^b{\left(\right(i-j\left)\right)}_N\≈P_b{\mathrm{\β}}_{b}E\left|h_b{|}^2\right|\left|p_1^b\right|{|}^2$

当攻击对手存在且第二段训练导频的循环移位方式与合法用户恰好相同时，检测结果的单峰值k_j：

$\begin{array}{c}{k}_j=\underset{M\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{M}\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\[x_{m,1}^b\left(i\right)+x_{m,1}^e\left(i\right)\]}^{*}\[x_{m,2}^b{\left(\right(i-j\left)\right)}_N+x_{m,2}^e{\left(\right(i-j\left)\right)}_N\]\\ \≈P_b{\mathrm{\β}}_{b}E\left|h_b{|}^2\right|\left|p_1^b\right|{|}^2+P_e{\mathrm{\β}}_{e}E\left|h_e{|}^2\right|\left|p_1^e\right|{|}^2\end{array}$

攻击对手的存在使单峰值增大了因此可以通过单峰值是否超过功率门限以辅助判断攻击对手是否存在。设置功率门限k₀：

$k_0=P_b{\mathrm{\β}}_{b}E\left|h_b{|}^2\right|\left|p_1^b\right|{|}^2+\mathrm{\φ}$

其中φ为用于调整门限的参数。相关结果若超过该门限k₀，则认为攻击对手存在。

2.根据权利要求1所述的基于导频相关和功率联合检测的大规模MIMO系统主动攻击检测方法，每段导频长度为N，推荐长度N≥32。

3.根据权利要求1所述的基于导频相关和功率联合检测的大规模MIMO系统主动攻击检测方法，要求基站配置天线数足够大，推荐M≥64。