CN110011980B - 一种定位合法用户和窃听用户的方法与系统 - Google Patents
一种定位合法用户和窃听用户的方法与系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种定位合法用户与窃听用户的方法和系统。所述定位合法用户与窃听用户的方法包括：进行导频训练，确定第一空间谱峰值、第二空间谱峰值、第三空间谱峰值和第四空间谱峰值；根据所述四个空间谱峰值确定第一入射方向、第二入射方向、第三入射方向和第四入射方向以及发射端、合法用户和窃听用户三者间空间距离；根据所述四个入射方向与发射端、合法用户和窃听用户三者间空间距离，对所述合法用户和所述窃听用户进行定位。所述定位合法用户和窃听用户的系统包括发射端、合法用户和窃听用户。
Description
技术领域
本发明涉及通信安全领域，特别是指一种定位合法用户和窃听用户的方法与系统。
背景技术
物理层安全(Physical Layer Security，PLA)是指利用收发双方无线信道的互易性和随机性，以及发送者与合法用户及恶意用户之间信道的差异性来提高合法用户的接收信号质量，是传统复杂密码学方法的一种重要补充或者替代，能够有效地提高合法信道的传输速率，降低窃听用户的信息率，保证合法用户对信息的有效接收。
目前威胁物理层安全的攻击行为主要包括被动攻击和主动攻击，其中，被动攻击过程中，恶意用户不发送信号，只是窃听传输的保密信息并进行解码，因此该行为不易被发现，也不会中断通信系统的通信；主动攻击中，窃听用户则会传输虚假信息或者噪声给合法用户，使合法用户无法正确获得发送端的信息，主动攻击还包括拦截传输中的私密信息来降低系统的安全性能。
针对上述存在的威胁，目前PLA研究一是从信息论的角度出发，利用基于信道安全编码的技术提高合法用户的安全容量，实现合法用户的安全接收；二是利用信号处理方法提高信息的保密容量。安全编码方案大多要求合法接收信道的信道状况要优于窃听信道，这在实际中并不能保证成立。信号处理技术利用物理层技术，如预编码技术、波束成型技术、人工噪声技术等来增强合法接收信道的信道状态，降低窃听信道的信道状态，使得窃听用户无法解调出保密信号。然而这些技术大多假设已知合法信道和非法信道的全部或部分信道信息，因此在信息传输前应先通过信道训练阶段获取信道信息。
存在安全威胁的通信环境可以用由发射端、合法用户、窃听用户组成的窃听信道模型来描述。在所述窃听信道模型中，发射端为了估计与合法用户之间的信道信息，在进行信息传输之前先利用导频信号进行信道训练。由于导频信号是公开的，在信道训练阶段，窃听用户会与合法用户同时发送导频信息，这样发射端根据接收信号估计的信道是不准确的。发射端在不知道窃听用户的情况下利用估计的信道发射信息时，会有部分信息泄露给窃听用户，威胁信息的安全，我们称这种攻击是导频欺骗攻击(Pilot Spoofing Attack，PSA)。
为了实现信息的安全传输，我们不仅要检测到窃听用户的存在，还要估计合法信道(发射端与合法用户之间的信道)的信息。目前提出克服导频攻击的方法有如下几种，一种是合法用户通过重新设计导频信号(比如利用二进制相移键控(2PSK)符号作为导频信号，或随机分配导频信号，或在分配的导频信号中插入伪随机序列)来检测窃听用户，一种是利用信道在时分双工(TDD)系统中信道的对称性(如能量比检测、上下行训练过程中估计信道的差异性)来检测窃听用户，一种是通过奇异值分解来判断信源的数目来判定有无窃听用户。然而，大多现有的克服导频攻击的方法能够检测出通信环境中窃听用户的存在，但无法进一步地估计出合法信道与窃听信道的信息实现对合法用户和窃听用户的定位，还是无法有效实现信息的安全传输。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种能检测出窃听用户且能够进一步获取合法信道与窃听信道信息以实现对合法用户和窃听用户的定位的方法。
基于上述目的，本发明提供了一种定位合法用户和窃听用户的方法，包括：
进行导频训练，根据导频训练过程中所述发射端接收到的导频信号与所述合法用户接收到的导频信号，确定所述发射端接收到的来自所述合法用户的导频信号的第一空间谱峰值、所述发射端接收到的来自所述窃听用户的导频信号的第二空间谱峰值、所述合法用户接收到的来自所述发射端的导频信号的第三空间谱峰值以及所述合法用户接收到的来自所述窃听用户的导频信号的第四空间谱峰值；
根据所述第一空间谱峰值、所述第二空间谱峰值、所述第三空间谱峰值以及所述第四空间谱峰值，确定所述第一空间谱峰值对应的所述导频信号的第一入射方向、所述第二空间谱峰值对应的所述导频信号的第二入射方向、所述第三空间谱峰值对应的所述导频信号的第三入射方向、所述第四空间谱峰值对应的所述导频信号的第四入射方向以及所述发射端、所述合法用户和所述窃听用户三者间空间距离；
根据所述第一入射方向、所述第二入射方向、所述第三入射方向、所述第四入射方向以及所述发射端、所述合法用户和所述窃听用户三者间空间距离对所述合法用户与所述窃听用户进行定位。
可选的，所述进行导频训练，根据导频训练过程中所述发射端接收到的导频信号与所述合法用户接收到的导频信号，确定所述发射端接收到的来自所述合法用户的导频信号的第一空间谱峰值、所述发射端接收到的来自所述窃听用户的导频信号的第二空间谱峰值、所述合法用户接收到的来自所述发射端的导频信号的第三空间谱峰值以及所述合法用户接收到的来自所述窃听用户的导频信号的第四空间谱峰值，包括：
在所述导频训练上行阶段，接收所述合法用户与所述窃听用户发送的第一导频信号，得到两个所述第一导频信号的空间谱函数所对应的两个第一峰值；
在所述导频训练下行阶段，将两个所述第一峰值发送到所述合法用户，并且与所述窃听用户向所述合法用户发送第二导频信号，使得所述合法用户得到两个所述第二导频信号的空间谱函数所对应的两个第二峰值；
其中，所述第一导频信号与所述第二导频信号所包含的信号内容相同，信号的发射端不同；
根据两个所述第一峰值与两个所述第二峰值，利用最小差值法确定所述发射端接收到的来自所述合法用户的导频信号的第一空间谱峰值、所述发射端接收到的来自所述窃听用户的导频信号的第二空间谱峰值、所述合法用户接收到的来自所述发射端的导频信号的第三空间谱峰值以及所述合法用户接收到的来自所述窃听用户的导频信号的第四空间谱峰值。
可选的，所述根据两个所述第一峰值与两个所述第二峰值，利用最小差值法确定所述发射端接收到的来自所述合法用户的导频信号的第一空间谱峰值、所述发射端接收到的来自所述窃听用户的导频信号的第二空间谱峰值、所述合法用户接收到的来自所述发射端的导频信号的第三空间谱峰值以及所述合法用户接收到的来自所述窃听用户的导频信号的第四空间谱峰值，包括：
分别计算每个所述第一峰值与每个所述第二峰值的差值；
将最小差值所对应的所述第一峰值，确定为所述发射端接收到的来自所述合法用户的导频信号的第一空间谱峰值，将两个所述第一峰值中的另一所述第一峰值确定为所述发射端接收到的来自所述窃听用户的导频信号的第二空间谱峰值；
将最小差值所对应的所述第二峰值，确定为所述合法用户接收到的来自所述发射端的导频信号的第三空间谱峰值，将两个所述第二峰值中的另一所述第二峰值确定为所述合法用户接收到的来自所述窃听用户的导频信号的第四空间谱峰值。
可选的，所述根据所述第一空间谱峰值、所述第二空间谱峰值、所述第三空间谱峰值以及所述第四空间谱峰值，确定所述第一空间谱峰值对应的所述导频信号的第一入射方向、所述第二空间谱峰值对应的所述导频信号的第二入射方向、所述第三空间谱峰值对应的所述导频信号的第三入射方向、所述第四空间谱峰值对应的所述导频信号的第四入射方向，包括：
其中，PA(θ1)，PA(θ2)，PB(θ3)，PB(θ4)分别为所述第一空间谱峰值、所述第二空间谱峰值、所述第三空间谱峰值和所述第四空间谱峰值，θb、θe、θa、θe′分别为所述第一入射方向、所述第二入射方向、所述第三入射方向和所述第四入射方向。
可选的，所述根据所述第一空间谱峰值、所述第二空间谱峰值、所述第三空间谱峰值以及所述第四空间谱峰值，确定所述发射端、所述合法用户和所述窃听用户三者间空间距离，包括：
根据所述第一空间谱峰值、所述第二空间谱峰值、所述第三空间谱峰和所述第四空间谱峰值以及各所述空间谱峰值的概率分布，确定各所述空间谱峰值相对应的导频信号的信号发射端和信号接收端的间距表征方程；
联立各所述间距表述方程，求得所述发射端、所述合法用户和所述窃听用户三者间空间距离。
可选的，所述第一空间谱峰值、所述第二空间谱峰值、所述第三空间谱峰值和所述第四空间谱峰值相对应的导频信号的信号发射端和信号接收端的间距表征方程分别为：
其中，dab表示所述发射端与所述合法用户的空间距离，dae表示所述发射端与所述窃听用户的空间距离，dbe表示所述合法用户与所述窃听用户的空间距离，c表示衰减系数，μ1、μ2、μ3、μ4分别为所述第一空间谱峰值、所述第二空间谱峰值、所述第三空间谱峰值和所述第四空间谱峰值的均值，Pa、Pb、Pe分别表示所述发射端、所述合法用户和所述窃听用户的发射功率，M表示阵列天线数，σ2表示噪声功率；
其中，
η2＝1+cos(2πd(sinθe-sinθb)/λ)+cos(4πd(sinθe-sinθb)/λ)+…+cos(2(M-1)πd(sinθe-sinθb)/λ)，
η4＝1+cos(2πd(sinθe′-sinθa)/λ)+cos(4πd(sinθe′-sinθa)/λ)+…+cos(2(M-1)πd(sinθe′-sinθa)/λ)
其中，θb、θe、θa、θe′分别表示所述第一入射方向、所述第二入射方向、所述第三入射方向和所述第四入射方向。
基于上述目的，本发明还提供一种定位合法用户和窃听用户的系统，包括发射端与合法用户，所述发射端用于实现所述定位合法用户和窃听用户的方法，所述合法用户用于接收和发送导频信息，配合所述发射端进行导频训练。
可选的，所述定位合法用户与窃听用户的系统还包括窃听用户，所述窃听用户在所述导频训练阶段向所述发射端与所述合法用户发送导频信号。
从上面所述可以看出，本发明提供的一种定位合法用户和窃听用户的方法与系统，利用导频训练获得的四个空间谱峰值，确定各空间谱峰值相对应的导频信号的入射方向以及发射端、合法用户和窃听用户三者间空间距离，以完成对通信环境中的合法用户与窃听用户的定位，从而能够有效实现信息的安全传输。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为窃听信道模型示意图；
图2为本发明实施例所提供的一种定位合法用户和窃听用户的方法示意图；
图3为本发明实施例所提供的一种定位合法用户和窃听用户的方法中进行导频训练确定第一空间谱峰值、第二空间谱峰值、第三空间谱峰值和第四空间谱峰值的方法示意图；
图4为本发明实施例中定位合法用户和窃听用户的方法的实验仿真结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
如图1所示，为由发射端、合法用户和窃听用户组成的窃听信道模型，所述窃听信道模型用以描述存在安全威胁的通信环境。在信息传输之前，发射端会首先进行信道训练以获取信道信息，其中发射端接收信号的信道为上行信道，合法用户接收信号的信道为下行信道。在进行信道训练的过程中，发射端向合法用户发送导频信号时，窃听用户也会同时向合法用户发送相同的导频信号，在合法用户向发射端发送导频信号时，窃听用户也会向发射端发送相同的导频信号，导致最终发射端根据接收到的信号估计出的信道信息不准确，这种情况下，利用估计到的信道发送信息时会造成部分信息泄露，威胁到信息安全。
在一方面，本发明提供了一种定位合法用户和窃听用户的方法。
如图2所示，本发明的一些可选实施例所提供的一种定位合法用户和窃听用户的方法，包括：
S1：进行导频训练，根据导频训练过程中所述发射端接收到的导频信号与所述合法用户接收到的导频信号，确定所述发射端接收到的来自所述合法用户的导频信号的第一空间谱峰值、所述发射端接收到的来自所述窃听用户的导频信号的第二空间谱峰值、所述合法用户接收到的来自所述发射端的导频信号的第三空间谱峰值以及所述合法用户接收到的来自所述窃听用户的导频信号的第四空间谱峰值；
S2：根据所述第一空间谱峰值、所述第二空间谱峰值、所述第三空间谱峰值以及所述第四空间谱峰值，确定所述第一空间谱峰值对应的所述导频信号的第一入射方向、所述第二空间谱峰值对应的所述导频信号的第二入射方向、所述第三空间谱峰值对应的所述导频信号的第三入射方向、所述第四空间谱峰值对应的所述导频信号的第四入射方向以及所述发射端、所述合法用户和所述窃听用户三者间空间距离；
S3：根据所述第一入射方向、所述第二入射方向、所述第三入射方向、所述第四入射方向以及所述发射端、所述合法用户和所述窃听用户三者间空间距离实现对所述合法用户与所述窃听用户的定位。
所述定位合法用户和窃听用户的方法，首先通过导频训练确定第一空间谱峰值、第二空间谱峰值、第三空间谱峰值和第四空间谱峰值，然后利用这四个空间谱峰值确定各自相应的四个导频信号的入射方向以及发射端、合法用户和窃听用户三者间的空间距离，再根据上述四个导频信号的入射方向以及发射端、合法用户和窃听用户三者间空间距离，实现对通信环境中合法用户和窃听用户的定位。本发明所提供的定位合法用户和窃听用户的方法在检测出窃听用户存在的基础上，进一步估计合法信道和窃听信道的信息，能够实现对通信环境中合法用户和窃听用户的定位，从而能够更好地保证信息的安全传输。
如图3所示，在本发明的一些可选实施例所提供的一种定位合法用户和窃听用户的方法中，所述进行导频训练，根据导频训练过程中所述发射端接收到的导频信号与所述合法用户接收到的导频信号，确定所述发射端接收到的来自所述合法用户的导频信号的第一空间谱峰值、所述发射端接收到的来自所述窃听用户的导频信号的第二空间谱峰值、所述合法用户接收到的来自所述发射端的导频信号的第三空间谱峰值以及所述合法用户接收到的来自所述窃听用户的导频信号的第四空间谱峰值S1，包括：
S11：在所述导频训练上行阶段，接收所述合法用户与所述窃听用户发送的第一导频信号，得到两个所述第一导频信号的空间谱函数所对应的两个第一峰值。
所述导频训练分为两个阶段，在所述导频训练的上行阶段，所述合法用户向所述发射端发送所述第一导频信号，所述第一导频信号为导频训练序列，同时，当通信环境中存在窃听用户时，所述窃听用户也会发送第一导频信号到所述发射端。
所述发射端估计接收到的导频信号的空间谱信息为：
PA(θ)＝wHRxw＝aH(θ)Rxa(θ)
其中，w与a(θ)表示权重，Rx＝E[x(k)xH(k)]为阵列接收信号的协方差矩阵，
表示阵元个数为M的接收信号，其中，a(θi)表示方向向量，si(k)表示入射信号(即导频信息)，c表示衰减系数，n(k)表示噪声。
所述发射端根据接收到的导频信号，结合已给定的判决门限γ进行空间谱峰值检测，当通信环境中存在窃听用户时，所述发射端能够检测到其接收的导频信号的空间谱存在两个峰值，这两个峰值即所述合法用户和所述窃听用户发送的所述第一导频信号的空间谱函数所对应的两个所述第一峰值。
S12：在所述导频训练下行阶段，将两个所述第一峰值发送到所述合法用户，并且与所述窃听用户向所述合法用户发送第二导频信号，使得所述合法用户得到两个所述第二导频信号的空间谱函数所对应的两个第二峰值。
其中，所述第一导频信号与所述第二导频信号所包含的信号内容相同，信号的发射端不同；
在所述导频训练的下行阶段，所述发射端将得到的两个所述第一峰值发送给所述合法用户，并且向所述合法用户发送所述第二导频信号，同时，所述窃听用户也会向所述合法用户发送所述第二导频信号，所述第二导频信号为与所述第一导频信号相同的导频训练序列。
所述合法用户同样对接收到的导频信号进行空间谱峰值检测，能够检测到其接收到的导频信号的空间谱存在两个峰值，这两个峰值即所述发射端和所述窃听用户发送的所述第二导频信号的空间谱函数所对应的两个所述第二峰值。
S13：根据两个所述第一峰值与两个所述第二峰值，利用最小差值法确定所述发射端接收到的来自所述合法用户的导频信号的第一空间谱峰值、所述发射端接收到的来自所述窃听用户的导频信号的第二空间谱峰值、所述合法用户接收到的来自所述发射端的导频信号的第三空间谱峰值以及所述合法用户接收到的来自所述窃听用户的导频信号的第四空间谱峰值。
所述发射端与所述合法用户间的上行信道与下行信道具有对称性，而所述窃听用户的位置是不确定且随机的，所述发射端与所述合法用户相互之间发送的导频信号的空间谱函数所对应的峰值几乎无差异，利用最小差值法能够确定两个所述第一峰值中所述发射端接收到的来自所述合法用户的导频信号所对应的所述第一峰值，以及两个所述第二峰值中所述合法用户接收到的来自所述发射端的导频信号所对应的所述第二峰值，两个所述第一峰值和两个所述第二峰值中所述窃听用户发送的导频信号所对应的峰值也得以确定。
在本发明的一些可选实施例所提供的一种定位合法用户和窃听用户的方法中，所述根据两个所述第一峰值与两个所述第二峰值，利用最小差值法确定所述发射端接收到的来自所述合法用户的导频信号的第一空间谱峰值、所述发射端接收到的来自所述窃听用户的导频信号的第二空间谱峰值、所述合法用户接收到的来自所述发射端的导频信号的第三空间谱峰值以及所述合法用户接收到的来自所述窃听用户的导频信号的第四空间谱峰值，包括：
分别计算每个所述第一峰值与每个所述第二峰值的差值；
将最小差值所对应的所述第一峰值，确定为所述发射端接收到的来自所述合法用户的导频信号的第一空间谱峰值，将两个所述第一峰值中的另一所述第一峰值确定为所述发射端接收到的来自所述窃听用户的导频信号的第二空间谱峰值；
将最小差值所对应的所述第二峰值，确定为所述合法用户接收到的来自所述发射端的导频信号的第三空间谱峰值，将两个所述第二峰值中的另一所述第二峰值确定为所述合法用户接收到的来自所述窃听用户的导频信号的第四空间谱峰值。
在本发明的一些可选实施例所提供的一种定位合法用户和窃听用户方法中，所述根据所述第一空间谱峰值、所述第二空间谱峰值、所述第三空间谱峰值以及所述第四空间谱峰值，确定所述第一空间谱峰值对应的所述导频信号的第一入射方向、所述第二空间谱峰值对应的所述导频信号的第二入射方向、所述第三空间谱峰值对应的所述导频信号的第三入射方向、所述第四空间谱峰值对应的所述导频信号的第四入射方向，包括：
其中，PA(θ1)，PA(θ2)，PB(θ3)，PB(θ4)分别表示所述第一空间谱峰值、所述第二空间谱峰值、所述第三空间谱峰值和所述第四空间谱峰值，θb、θe、θa、θe′分别为所述第一入射方向、所述第二入射方向、所述第三入射方向和所述第四入射方向。
在本发明的一些可选实施例所提供的一种定位合法用户和窃听用户的方法中，所述根据所述第一空间谱峰值、所述第二空间谱峰值、所述第三空间谱峰值以及所述第四空间谱峰值，确定所述发射端、所述合法用户和所述窃听用户三者间空间距离，包括：
根据所述第一空间谱峰值、所述第二空间谱峰值、所述第三空间谱峰和所述第四空间谱峰值以及各所述空间谱峰值的概率分布，确定各所述空间谱峰值相对应的导频信号的信号发射端和信号接收端的间距表征方程；
联立各所述间距表述方程，求得所述发射端、所述合法用户和所述窃听用户三者间空间距离。
在本发明的一些可选实施例所提供的一种定位合法用户和窃听用户的方法中，所述根据所述第一空间谱峰值、所述第二空间谱峰值、所述第三空间谱峰和所述第四空间谱峰值以及各所述空间谱峰值的概率分布，确定各所述空间谱峰值相对应的导频信号的信号发射端和信号接收端的间距表征方程，包括：
在所述导频训练阶段，所述发射端接收到的导频信号可以表示为：
PA(θ)＝wHRxw＝aH(θ)Rxa(θ)
所述发射端接收到的导频信号还可以表示为：
其中，Pb表示所述合法用户的发射功率，Pe表示所述窃听用户的发射功率；
当θ＝θb＝θ1时，即所述发射端接收到的导频信号的空间谱函数达到峰值，此峰值为所述发射端接收到的来自所述合法用户的导频信号的第一空间谱峰值，所述第一空间谱峰值可以表示为：
其中，M表示阵列天线数；
其中，
η2＝1+cos(2πd(sinθe-sinθb)/λ)+cos(4πd(sinθe-sinθb)/λ)+…+cos(2(M-1)πd(sinθe-sinθb)/λ)，
根据所述第一空间谱峰值PA(θb)的概率分布，可以得到：
方程式(1)即为所述第一空间谱峰值相对应的导频信号的信号发射端和信号接收端的间距表征方程，所述第一空间谱峰值相对应的导频信号的信号发射端为所述合法用户，信号接收端为所述发射端；其中，μ1表示所述第一空间谱峰值的分布均值；
当θ＝θe＝θ2时，即所述发射端接收到的导频信号的空间谱函数达到峰值，此峰值为所述发射端接收到的来自所述窃听用户的导频信号的第二空间谱峰值，根据所述第二空间谱峰值PA(θe)的概率分布，可以得到：
方程式(2)即为所述第二空间谱峰值相对应的导频信号的信号发射端和信号接收端的间距表征方程，所述第二空间谱峰值相对应的导频信号的信号发射端为所述窃听用户，信号接收端为所述发射端，其中，μ2表示所述第二空间谱峰值的分布均值；
同理，在所述导频训练阶段，所述合法用户接收到的导频信号可以表示为：
PB(θ)＝wHRxw＝aH(θ)Rxa(θ)
当θ＝θa＝θ3时，所述合法用户接收到的导频信号的空间谱函数达到峰值，此峰值为所述合法用户接收到的来自所述发射端的导频信号的第三空间谱峰值，结合所述第三空间谱峰值PB(θa)的概率分布，可以得到所述第三空间谱峰值相对应的导频信号的信号发射端和信号接收端的间距表征方程：
所述第三空间谱峰值相对应的导频信号的信号发射端为所述发射端，信号接收端为所述合法用户；其中，μ3表示所述第三空间谱峰值的分布均值；
其中，
η4＝1+cos(2πd(sinθe′-sinθa)/λ)+cos(4πd(sinθe′-sinθa)/λ)+…+cos(2(M-1)πd(sinθe′-sinθa)/λ)；
当θ＝θe′＝θ4时，所述合法用户接收到的导频信号的空间谱函数达到峰值，此峰值为所述合法用户接收到的来自所述窃听用户的导频信号的第四空间谱峰值，接收所述第四空间谱峰值PB(θe′)的概率分布，可以得到所述第四空间谱峰值相对应的导频信号的信号发射端和信号接收端的间距表征方程：
所述第四空间谱峰值相对应的导频信号的信号发射端为所述窃听用户，信号接收端为所述合法用户；其中，μ4表示所述第四空间谱峰值的分布均值。
如图4所示，为本发明的一些可选实施例中定位合法用户和窃听用户的方法的实验仿真结果图。此实验仿真给出了在发射端与合法用户位置固定不变，窃听用户相对发射端的入射方向不变的情况下，窃听用户与发射端间空间距离从7到17变化过程中，采用所述定位合法用户与窃听用户的方法对所述窃听用户与发射端间空间距离进行估计得到的结果情况。仿真参数分别为：天线数目M＝32，噪声功率σ2＝1，发射端与合法用户的发射功率为10dB。图中横坐标(distance between Alice and Eve)表示实际的发射端与窃听用户间空间距离，纵坐标(distance between Alice and Eve)表示估计得到的发射端与窃听用户间空间距离，图中三角形点(actual value)与正方形点(theoretical value)分别表示所述发射端与窃听用户间空间距离的实际值与理论值，三角形点连线与正方形点连线几乎完全重合，图中圆形点(simulation value)表示采用本发明所公开的定位合法用户与窃听用户的方法进行估计得到的发射端与窃听用户间空间距离的仿真值，在发射端与窃听用户间实际距离的不同情况下估计得到的距离与实际距离误差极小，圆形点连线与三角形点连线以及正方形点连线基本重合。说明本发明的所提供的定位合法用户和窃听用户的方法能够实现对通信环境中的合法用户与窃听用户的定位，保证信息的安全传输。
在另一方面，本发明还提供了一种定位合法用户和窃听用户的系统。
本发明的一些可选实施例所提供的一种定位合法用户和窃听用户的系统，包括发射端与合法用户，所述发射端用于实现所述定位合法用户和窃听用户的方法，所述合法用户用于接收和发送导频信息，配合所述发射端进行导频训练。
本发明的一些可选实施例所提供的一种定位合法用户和窃听用户的系统，还包括窃听用户，所述窃听用户在所述导频训练阶段向所述发射端与所述合法用户发送导频信号。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。
本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、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 (6)
1.一种基于空间谱定位合法用户与窃听用户的方法，其特征在于，应用于发射端，所述方法包括：
进行导频训练，根据导频训练过程中所述发射端接收到的导频信号与所述合法用户接收到的导频信号，确定所述发射端接收到的来自所述合法用户的导频信号的第一空间谱峰值、所述发射端接收到的来自所述窃听用户的导频信号的第二空间谱峰值、所述合法用户接收到的来自所述发射端的导频信号的第三空间谱峰值以及所述合法用户接收到的来自所述窃听用户的导频信号的第四空间谱峰值；
根据所述第一空间谱峰值、所述第二空间谱峰值、所述第三空间谱峰值以及所述第四空间谱峰值，确定所述第一空间谱峰值对应的所述导频信号的第一入射方向、所述第二空间谱峰值对应的所述导频信号的第二入射方向、所述第三空间谱峰值对应的所述导频信号的第三入射方向、所述第四空间谱峰值对应的所述导频信号的第四入射方向；
根据所述第一空间谱峰值、所述第二空间谱峰值、所述第三空间谱峰和所述第四空间谱峰值以及各所述空间谱峰值的概率分布，确定各所述空间谱峰值相对应的导频信号的信号发射端和信号接收端的间距表征方程；
所述第一空间谱峰值、所述第二空间谱峰值、所述第三空间谱峰值和所述第四空间谱峰值相对应的导频信号的信号发射端和信号接收端的间距表征方程分别为：
其中，dab表示所述发射端与所述合法用户的空间距离，dae表示所述发射端与所述窃听用户的空间距离，dbe表示所述合法用户与所述窃听用户的空间距离，c表示衰减系数，μ1、μ2、μ3、μ4分别为所述第一空间谱峰值、所述第二空间谱峰值、所述第三空间谱峰值和所述第四空间谱峰值的均值，Pa、Pb、Pe分别表示所述发射端、所述合法用户和所述窃听用户的发射功率，M表示阵列天线数，σ2表示噪声功率；
其中，
η2＝1+cos(2πd(sinθe-sinθb)/λ)+cos(4πd(sinθe-sinθb)/λ)+…+cos(2(M-1)πd(sinθe-sinθb)/λ)，
η4＝1+cos(2πd(sinθe′-sinθa)/λ)+cos(4πd(sinθe′-sinθa)/λ)+…+cos(2(M-1)πd(sinθe′-sinθa)/λ)
其中，θb、θe、θa、θe′分别表示所述第一入射方向、所述第二入射方向、所述第三入射方向和所述第四入射方向；
联立各所述间距表述方程，求得所述发射端、所述合法用户和所述窃听用户三者间空间距离；
根据所述第一入射方向、所述第二入射方向、所述第三入射方向、所述第四入射方向以及所述发射端、所述合法用户和所述窃听用户三者间空间距离对所述合法用户与所述窃听用户进行定位。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进行导频训练，根据导频训练过程中所述发射端接收到的导频信号与所述合法用户接收到的导频信号，确定所述发射端接收到的来自所述合法用户的导频信号的第一空间谱峰值、所述发射端接收到的来自所述窃听用户的导频信号的第二空间谱峰值、所述合法用户接收到的来自所述发射端的导频信号的第三空间谱峰值以及所述合法用户接收到的来自所述窃听用户的导频信号的第四空间谱峰值，包括：
在导频训练上行阶段，接收所述合法用户与所述窃听用户发送的第一导频信号，得到两个所述第一导频信号的空间谱函数所对应的两个第一峰值；
在导频训练下行阶段，将两个所述第一峰值发送到所述合法用户，并且与所述窃听用户向所述合法用户发送第二导频信号，使得所述合法用户得到两个所述第二导频信号的空间谱函数所对应的两个第二峰值；
其中，所述第一导频信号与所述第二导频信号所包含的信号内容相同，信号的发射端不同；
根据两个所述第一峰值与两个所述第二峰值，利用最小差值法确定所述发射端接收到的来自所述合法用户的导频信号的第一空间谱峰值、所述发射端接收到的来自所述窃听用户的导频信号的第二空间谱峰值、所述合法用户接收到的来自所述发射端的导频信号的第三空间谱峰值以及所述合法用户接收到的来自所述窃听用户的导频信号的第四空间谱峰值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据两个所述第一峰值与两个所述第二峰值，利用最小差值法确定所述发射端接收到的来自所述合法用户的导频信号的第一空间谱峰值、所述发射端接收到的来自所述窃听用户的导频信号的第二空间谱峰值、所述合法用户接收到的来自所述发射端的导频信号的第三空间谱峰值以及所述合法用户接收到的来自所述窃听用户的导频信号的第四空间谱峰值，包括：
分别计算每个所述第一峰值与每个所述第二峰值的差值；
将最小差值所对应的所述第一峰值，确定为所述发射端接收到的来自所述合法用户的导频信号的第一空间谱峰值，将两个所述第一峰值中的另一所述第一峰值确定为所述发射端接收到的来自所述窃听用户的导频信号的第二空间谱峰值；
将最小差值所对应的所述第二峰值，确定为所述合法用户接收到的来自所述发射端的导频信号的第三空间谱峰值，将两个所述第二峰值中的另一所述第二峰值确定为所述合法用户接收到的来自所述窃听用户的导频信号的第四空间谱峰值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一空间谱峰值、所述第二空间谱峰值、所述第三空间谱峰值以及所述第四空间谱峰值，确定所述第一空间谱峰值对应的所述导频信号的第一入射方向、所述第二空间谱峰值对应的所述导频信号的第二入射方向、所述第三空间谱峰值对应的所述导频信号的第三入射方向、所述第四空间谱峰值对应的所述导频信号的第四入射方向，包括：
其中，PA(θ1)，PA(θ2)，PB(θ3)，PB(θ4)分别为所述第一空间谱峰值、所述第二空间谱峰值、所述第三空间谱峰值和所述第四空间谱峰值，θb、θe、θa、θe′分别为所述第一入射方向、所述第二入射方向、所述第三入射方向和所述第四入射方向。
5.一种合法用户与窃听用户定位系统，其特征在于，包括合法用户，以及如权利要求1-4任一项所述的发射端；所述合法用户用于接收和发送导频信息，配合所述发射端进行导频训练。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括窃听用户，所述窃听用户在所述导频训练阶段向所述发射端与所述合法用户发送导频信号。
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