CN108847911B - 一种基于独立性校验编码的ofdm信道训练鉴权方法 - Google Patents

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CN108847911B CN201810616004.0A CN201810616004A CN108847911B CN 108847911 B CN108847911 B CN 108847911B CN 201810616004 A CN201810616004 A CN 201810616004A CN 108847911 B CN108847911 B CN 108847911B
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Abstract

一种基于独立性校验编码的OFDM信道训练鉴权方法，用以避免导频遭受的干扰、归零和欺骗风险。导频不仅仅被随机化并插入到子载波中，同时也被编码、对应为子载波激活模式(SAP)。这些经过编码的SAP虽然被恶意信号掩盖，却是可以被识别并解码成原始导频信号，并进一步被用于高精度的信道冲击响应(CIR)估计，成功解决导频攻击环境下的信道估计难题。本发明联合子载波编码和信道估计，通过优化码率和信道估计，实现了攻击环境下高安全性、高稳定性的无线信道训练鉴权。

Description

一种基于独立性校验编码的OFDM信道训练鉴权方法
技术领域
本发明涉及到无线通信领域，特别涉及一种基于独立性校验编码的OFDM信道训练鉴权方法。
背景技术
当前无线通信技术面临严重的安全风险，这种风险源于无线信道的广播特性，具体表现为有害信号源危害干扰其他正常节点的通信链路。虽然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，上层的加密体制面临被破译的风险，合法用户的信息进而完全暴露于敌对目标。基于此，物理层安全机制引起了广泛的关注和研究，鉴于OFDM系统作为当前主流的无线通信系统架构并且被广泛应用于各个实际的无线通信系统中，针对该系统的攻击逐渐成为热点话题，攻击者可以获取该系统的协议和架构特征，对其造成严重的威胁。
研究物理层的信道训练协议。在OFDM系统中，信道训练的目的是利用公共已知的导频进行信道估计,这些导频信号可被攻击者获知，当攻击者获悉合法收发机的帧同步信息和导频信息后，可发动导频感知攻击，期间，该攻击者通过与某一合法用户同步地发送特定的导频信号，干扰合法收发机配对之间信道估计，瘫痪系统的下一步数据传输服务。而且，导频感知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。因此，关键在于如何设计导频鉴权机制来抵抗和削弱OFDM系统中的导频感知攻击对信道训练的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于独立性校验编码的OFDM信道训练鉴权方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于独立性校验编码的OFDM信道训练鉴权方法，包括以下步骤：
步骤1，建立系统模型；采用随机导频机制，上行发射机采用随机导频进行信道估计，主动攻击者可采取混合攻击模式；混合攻击模式包括部分频带干扰合法信道的信道训练、全频带干扰合法信道训练和保持静默；
步骤2，通过对各个子载波激活模式的编码，创建了码频域，构建了独立性校验编码准则；考虑3个OFDM符号时间，对任意单个子载波上收到的信号进行能量检测，通过配置阈值，实现每个子载波上精准的信号个数检测，若存在信号，则该子载波被编码为1，反之则为0；根据得到的二进制编码，得到二元码字向量集合为：
Figure GDA0002577360420000021
其中，Ls表示码字的长度，pm表示第m 个码字单元；建立码频域为：
Figure GDA0002577360420000022
其中b表示码字p对应频域的位置， N表示占用的子载波个数；最后得到一个N×C的二元码本C＝[ci,j]，码本中第i个码字定义为ci＝[c1,i … cN,i]T；
构建独立性校验编码准则，包括编码准则和解码准则，用以抵抗混合攻击；
步骤3，构建基于独立性校验编码ICC的反攻击信道训练鉴权CTA协议，包括导频的表示，分离和识别；
步骤4，优化码率，实现最稳定信道估计。
进一步的，步骤1中，考虑一对合法收发机和一个导频感知攻击者，两个上行通信链路，分别为上行发射机→接收机，导频感知攻击者→接收机；接收机拥有NT根天线，上行发射机和导频感知攻击者均为单天线；频域上，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.时域上,每个通信链路均采样L条路径，信道模型为：
Figure GDA0002577360420000023
代表上行发射机与接收机的第i根接收天线之间的信道冲激响应，
Figure GDA0002577360420000024
代表第l条路径的功率时延谱；
Figure GDA0002577360420000025
代表导频感知攻击者与接收机的第i根接收天线之间的信道冲激响应，并独立于
Figure GDA0002577360420000026
代表第l条路径的功率时延谱。若上行发射机采用确定性导频，当导频感知攻击发生时，攻击者会在与合法发射机相同的导频点位置，发射相同的导频信号，导频信号配置为：在第k个OFDM符号期间，上行发射机在第i个子载波上的导频信号为
Figure GDA0002577360420000031
其中,ρB为其导频发射功率，φk表示第k个时隙对应的导频相位；导频感知攻击者在第i个子载波上的导频信号为
Figure GDA0002577360420000032
其中，ρA为其导频发射功率，
Figure GDA0002577360420000033
表示第k个OFDM符号时间第i个子载波上的导频相位。
进一步的，步骤2中，编码准则：对于一个N×C的二元码本C＝[ci,j],当且仅当码本矩阵内任意两个列向量集合
Figure GDA0002577360420000038
最少存在s个行向量集合
Figure GDA0002577360420000039
使得
Figure GDA0002577360420000034
ci,j＝1成立。
进一步的，步骤2中，解码准则：考虑到混合攻击环境，接收机可以在第i个子载波i∈[1，NB]上识别出三种类型的结果：情况1：上行发射机和攻击者没有传输信号；情况 2：上行发射机和攻击者都传输信号；情况3：一个未知节点传输信号；情况3进一步识别的方法为：对相邻子载波上收集到的信号进行差分编码，得到两种码字，对两种码字进行判定，当且仅当解码出来的码字权重与编码准则一致，判决该码字为正确的码字。
进一步的，步骤3中，导频表示阶段：上行发射机和攻击者选择随机导频相位，根据码本，建立导频相位到码字的一对一映射，在该映射原理下，码字进一步映射为子载波激活模式，具体原理是，如果码字的元素数值等于1，则导频信号该子载波上发送，否则该子载波被置于空闲状态；上行发射机和攻击者都产生各自的子载波激活模式，并且保持同步传输，经由无线环境，各个子载波上信号的叠加产生干扰，最终被接收机获取；导频分离阶段：根据观察到的子载波激活模式，接收机对各个子载波进行能量检测，判断每一个子载波上是否存在信号，根据结果，得到一个二元码字向量,借助于解码准则，接收机能够识别具体的攻击类型；得到每个攻击类型下上行发射机和攻击者使用的码字；导频识别阶段:通过搜索码本中的码字，接收机识别分离出的码字，在混合攻击环境下，识别错误概率可定义为：
Figure GDA0002577360420000035
进一步的，步骤4中，衡量信道估计的不稳定性，定义CS稳定性条件为：重合的子载波等间隔分布，并且如果重合的子载波个数定义为s，则s满足s≥L；衡量稳定性，定义指标Ps：
Figure GDA0002577360420000041
；
其中C2(N,w,s*)表示上行发射机和攻击者所有可能的两两码字组合，w为码字权重，
Figure GDA0002577360420000042
κ(N,w,s*)表示满足CS条件的所有可能码字组合；建立一个优化问题，目标是最大化
Figure GDA0002577360420000043
约束条件为：
Figure GDA0002577360420000044
通过解决这个优化条件，得到最稳定信道估计下的码率表达式为：
Figure GDA0002577360420000045
；
其中，
Figure GDA0002577360420000046
导频识别错误概率为：
Figure GDA0002577360420000047
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明利用随机导频的特性来弱化导频感知攻击为混合攻击模式，同时根据信道的独立特性建立独立性校验编码准则，来实现导频干扰环境下合法用户导频信号的，通过优化码率及其对应的天线、时隙和子载波资源配置，进一步实现稳定而又高精度的信道估计。
附图说明
图1是系统模型图。
图2是所提协议框架图。
图3是安全性与稳定性的折衷曲线图。
图4是导频识别错误概率图。
图5是信道均方误差与合法导频信噪比曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
图1给出的系统模型图，考虑一对合法收发机和一个导频感知攻击者，两个上行通信链路，分别为上行发射机→接收机，导频感知攻击者→接收机。接收机拥有NT根天线，上行发射机和导频感知攻击者均为单天线。频域上，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.时域上,每个通信链路均采样L条路径，信道模型为：
Figure GDA0002577360420000051
代表上行发射机与接收机的第i根接收天线之间的信道冲激响应，
Figure GDA0002577360420000052
代表第l条路径的功率时延谱；
Figure GDA0002577360420000053
代表导频感知攻击者与接收机的第i根接收天线之间的信道冲激响应，并独立于
Figure GDA0002577360420000054
代表第l条路径的功率时延谱。若上行发射机采用确定性导频，当导频感知攻击发生时，攻击者会在与合法发射机相同的导频点位置，发射相同的导频信号，导频信号配置为：在第k个OFDM符号期间，上行发射机在第i个子载波上的导频信号为
Figure GDA0002577360420000055
其中,ρB为其导频发射功率，φk表示第k个时隙对应的导频相位；导频感知攻击者在第i个子载波上的导频信号为
Figure GDA0002577360420000056
其中，ρA为其导频发射功率，
Figure GDA0002577360420000057
表示第k个OFDM符号时间第i个子载波上的导频相位。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，主动攻击者可采取混合攻击模式：1.采用随机导频，部分频带干扰合法信道的信道训练；2采用随机导频，全频带干扰合法信道训练；3.保持静默。
图2给出了所提协议的框架图，包括如下步骤：
Step1:考虑3个OFDM符号时间，对任意单个子载波上收到的信号进行能量检测，通过配置阈值，实现每个子载波上精准的信号个数检测，若存在信号，则该子载波被编码为1，反之则为0。根据得到的二进制编码，得到二元码字向量集合为：
Figure GDA0002577360420000058
其中，Ls表示码字的长度，pm表示第m 个码字单元；建立码频域为：
Figure GDA0002577360420000059
其中b表示码字p对应频域的位置， N表示占用的子载波个数；最后得到一个N×C的二元码本C＝[ci,j]，码本中第i个码字定义为ci＝[c1,i … cN,i]T；
Step2:构建独立性检验编码准则，具体可包括编码准则和解码准则。
编码准则：对于一个N×C的二元码本C＝[ci,j],当且仅当码本矩阵内任意两个列向量集合
Figure GDA0002577360420000061
最少存在s个行向量集合
Figure GDA0002577360420000062
使得
Figure GDA0002577360420000063
ci,j＝1成立。
解码准则：
考虑到混合攻击环境，接收机可以在第i个子载波i∈[1，NB]上识别出三种类型的结果：情况1：上行发射机和攻击者没有传输信号。情况2：上行发射机和攻击者都传输信号。情况3：一个未知节点(上行发射机或者攻击者)传输信号。显然，接收机可以识别前两种情况下的行为，但由于子载波上信号叠加的模糊性，情况3需要进一步识别，具体方法为，对相邻子载波上收集到的信号进行差分编码，得到两种码字，对两种码字进行判定，当且仅当解码出来的码字权重与编码准则一致，判决该码字为正确的码字。
Step3:如图2所示，导频表示阶段：上行发射机和攻击者选择随机导频相位，根据Step2的码本，建立导频相位到码字的一对一映射，在该映射原理下，码字进一步映射为子载波激活模式，具体原理是，如果码字的元素数值等于1，则导频信号该子载波上发送，否则该子载波被置于空闲状态。上行发射机和攻击者都产生各自的子载波激活模式，并且保持同步传输，经由无线环境，各个子载波上信号的叠加产生干扰，最终被接收机获取。导频分离阶段：根据观察到的子载波激活模式，接收机对各个子载波进行Step1采用的能量检测，判断每一个子载波上是否存在信号，根据结果，得到一个二元码字向量, 借助于Step2的解码准则，接收机可：1识别具体的攻击类型；2得到每个攻击类型下上行发射机和攻击者使用的码字。导频识别阶段:通过搜索码本中的码字，接收机识别分离出的码字，在混合攻击环境下，识别错误概率Pr可定义为：
Figure GDA0002577360420000064
；
Step4:考虑2个OFDM符号时间，标记为k0和k1,并且考虑s个子载波重叠,则，接收机的信号模型可表示为：
YL＝XLHL+NL；
其中，XL是一个2×2导频信号矩阵，等于XL＝[xL,1 xL,2]，其中 xL,1＝[xB[k0] xB[k1]]T,xL,2＝[xA[k0] xA[k1]]T，HL是一个2×NTs矩阵，等于
Figure GDA0002577360420000071
其中,NT表示发射天线个数,
Figure GDA0002577360420000072
Figure GDA0002577360420000073
FL,s是s×L维DFT矩阵。NL是2×NTs维矩阵，满足
Figure GDA0002577360420000074
1×s维向量
Figure GDA0002577360420000075
表示第i根天线第k个OFDM符号时间内的噪声矢量。根据此模型，得到子载波信道估计为：
Figure GDA0002577360420000076
；
信道归一化均方误差为：
Figure GDA0002577360420000077
；
Step5:为了衡量信道估计的不稳定性，定义稳定性条件为：重合的子载波等间隔分布并且重合的子载波个数满足s≥L。为了衡量稳定性，定义指标Ps：
Figure GDA0002577360420000078
；
其中C2(N,w,s*)表示上行发射机和攻击者所有可能的两两码字组合可能，w为码字权重，
Figure GDA0002577360420000079
κ(N,w,s*)表示满足CS条件的所有可能码字组合。建立一个优化问题，目标是最大化
Figure GDA00025773604200000710
约束条件为：
Figure GDA00025773604200000711
通过解决这个优化条件，得到最稳定信道估计下的码率表达式为：
Figure GDA00025773604200000712
；
其中，
Figure GDA00025773604200000713
导频识别错误概率为：
Figure GDA0002577360420000081
。
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感知攻击环境下对信道估计精度的提高。图4表明了本发明在最稳定信道估计下导频识别错误概率随子载波个数N的变化情况。国5表示了本发明在最稳定信道估计下所提独立性校验编码的码率随着子载波个数N的变化情况。

Claims (4)

1.一种基于独立性校验编码的OFDM信道训练鉴权方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，建立系统模型；采用随机导频机制，上行发射机采用随机导频进行信道估计，主动攻击者采取混合攻击模式；混合攻击模式包括部分频带干扰合法信道的信道训练、全频带干扰合法信道训练和保持静默；
步骤2，通过对各个子载波激活模式的编码，创建了码频域，构建了独立性校验编码准则；考虑3个OFDM符号时间，对任意单个子载波上收到的信号进行能量检测，通过配置阈值，实现每个子载波上精准的信号个数检测，若存在信号，则该子载波被编码为1，反之则为0；根据得到的二进制编码，得到二元码字向量集合为：
Figure FDA0002577360410000011
其中，Ls表示码字的长度，pm表示第m个码字单元；建立码频域为：
Figure FDA0002577360410000012
其中b表示码字p对应频域的位置，N表示占用的子载波个数；最后得到一个N×C的二元码本C＝[ci,j]，码本中第i个码字定义为ci＝[c1,i … cN,i]T；
构建独立性校验编码准则，包括编码准则和解码准则，用以抵抗混合攻击；
步骤3，构建基于独立性校验编码ICC的反攻击信道训练鉴权CTA协议，包括导频的表示，分离和识别；
步骤4，优化码率，实现最稳定信道估计；
步骤2中，解码准则：考虑到混合攻击环境，接收机在第i个子载波i∈[1,N]上识别出三种类型的结果：情况1：上行发射机和攻击者没有传输信号；情况2：上行发射机和攻击者都传输信号；情况3：一个未知节点传输信号；情况3进一步识别的方法为：对相邻子载波上收集到的信号进行差分编码，得到两种码字，对两种码字进行判定，当且仅当解码出来的码字权重与编码准则一致，判决该码字为正确的码字；
步骤4中，衡量信道估计的不稳定性，定义CS稳定性条件为：重合的子载波等间隔分布，并且如果重合的子载波个数定义为s，则s满足s≥L，L代表无线多径衰落信道的抽头个数；衡量稳定性，定义指标Ps：
Figure FDA0002577360410000021
；
其中C2(N,w,s*)表示上行发射机和攻击者所有可能的两两码字组合，w为码字权重，
Figure FDA0002577360410000022
κ(N,w,s*)表示满足CS稳定性条件的所有可能码字组合；建立一个优化问题，目标是最大化
Figure FDA0002577360410000023
约束条件为：Ps(N,w,s*)＝1,
Figure FDA0002577360410000024
通过解决这个优化条件，得到优化变量s和码子权重w的最佳取值分别为：
Figure FDA0002577360410000025
；
将此变量带入
Figure FDA0002577360410000026
中，
得到最稳定信道估计下的码率表达式为：
Figure FDA0002577360410000027
；
基于此公式，导频识别错误概率Pr为：
Figure FDA0002577360410000028
2.根据权利要求1所述的一种基于独立性校验编码的OFDM信道训练鉴权方法，其特征在于，步骤1中，考虑一对合法收发机和一个导频感知攻击者，两个上行通信链路，分别为上行发射机→接收机，导频感知攻击者→接收机；接收机拥有NT根天线，上行发射机和导频感知攻击者均为单天线；频域上，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.时域上,每个通信链路均采样L条路径，信道模型为：
Figure FDA0002577360410000031
代表上行发射机与接收机的第i根接收天线之间的信道冲激响应，
Figure FDA0002577360410000032
代表第l条路径的功率时延谱；
Figure FDA0002577360410000033
代表导频感知攻击者与接收机的第i根接收天线之间的信道冲激响应，并独立于
Figure FDA0002577360410000034
Figure FDA0002577360410000035
代表第l条路径的功率时延谱；若上行发射机采用确定性导频，当导频感知攻击发生时，攻击者会在与合法发射机相同的导频点位置，发射相同的导频信号，导频信号配置为：在第k个OFDM符号期间，上行发射机在第i个子载波上的导频信号为
Figure FDA0002577360410000036
其中,ρB为其导频发射功率，φk表示第k个时隙对应的导频相位；导频感知攻击者在第i个子载波上的导频信号为
Figure FDA0002577360410000037
其中，ρA为其导频发射功率，
Figure FDA0002577360410000038
表示第k个OFDM符号时间第i个子载波上的导频相位；
考虑2个OFDM符号时间，标记为k0和k1,并且考虑s个子载波重叠,则，接收机的信号模型可表示为：
YL＝XLHL+NL ；
其中，XL是一个2×2导频信号矩阵，等于XL＝[xL,1 xL,2]，其中xL,1＝[xB[k0] xB[k1]]T,xL,2＝[xA[k0] xA[k1]]T，HL是一个2×NTs矩阵，等于
Figure FDA0002577360410000039
其中,NT表示发射天线个数,
Figure FDA00025773604100000310
Figure FDA00025773604100000311
FL,s是s×L维DFT矩阵；NL是2×NTs维矩阵，满足
Figure FDA00025773604100000312
1×s维向量
Figure FDA00025773604100000313
表示第i根天线第k个OFDM符号时间内的噪声矢量；根据此模型，得到子载波信道估计为：
Figure FDA00025773604100000314
；
信道归一化均方误差为：
Figure FDA00025773604100000315
3.根据权利要求1所述的一种基于独立性校验编码的OFDM信道训练鉴权方法，其特征在于，步骤2中，编码准则：对于一个N×C的二元码本C＝[ci,j],当且仅当码本矩阵内任意两个列向量集合
Figure FDA0002577360410000043
最少存在s个行向量集合
Figure FDA0002577360410000044
使得
Figure FDA0002577360410000041
ci,j＝1成立。
4.根据权利要求1所述的一种基于独立性校验编码的OFDM信道训练鉴权方法，其特征在于，步骤3中，导频表示阶段：上行发射机和攻击者选择随机导频相位，根据码本，建立导频相位到码字的一对一映射，在该映射原理下，码字进一步映射为子载波激活模式，具体原理是，如果码字的元素数值等于1，则导频信号该子载波上发送，否则该子载波被置于空闲状态；上行发射机和攻击者都产生各自的子载波激活模式，并且保持同步传输，经由无线环境，各个子载波上信号的叠加产生干扰，最终被接收机获取；导频分离阶段：根据观察到的子载波激活模式，接收机对各个子载波进行能量检测，判断每一个子载波上是否存在信号，根据结果，得到一个二元码字向量,借助于解码准则，接收机能够识别具体的攻击类型；得到每个攻击类型下上行发射机和攻击者使用的码字；导频识别阶段:通过搜索码本中的码字，接收机识别分离出的码字，在混合攻击环境下，识别错误概率Pr定义为：
Figure FDA0002577360410000042
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