CN110062384B - 一种基于信号旋转的无线监控方法 - Google Patents

一种基于信号旋转的无线监控方法 Download PDF

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CN110062384B CN201910350935.5A CN201910350935A CN110062384B CN 110062384 B CN110062384 B CN 110062384B CN 201910350935 A CN201910350935 A CN 201910350935A CN 110062384 B CN110062384 B CN 110062384B
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Abstract

本发明公开了一种基于信号旋转的无线监控方法，无线监控网络包含一个可疑的源节点S，一个可疑目的节点D，一个合法监听节点E及一个协作干扰设备J，可疑的源节点S和可疑目的节点D只能获得可疑链路的信道信息hSD；合法监听节点E和协作干扰设备J可以获得hSE和hJE，其中，在数据传输开始之前，合法监听节点E利用可疑的源节点S发送的导频信号估计出可疑链路的信道信息hSE，然后将估计结果共享给协作干扰设备J，其中，hJE可以利用合法监听节点E和协作干扰设备J发送的导频信号在合法监听节点E和协作干扰设备J处估计得到；合法监听节点E和协作干扰设备J不能获得可疑链路的信道信息hSD，该方法能够有效的避免信息的泄露。

Description

一种基于信号旋转的无线监控方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种基于信号旋转的无线监控方法。
背景技术
近年来，随着移动网络基础设施的大规模部署和应用，越来越多的人和设备可以更加自由、灵活的接入到移动网络中，这一方面对于改善生活品质，丰富娱乐生活，提升工业生产效率等具有重要作用，另一方面也为不法分子从事非法活动提供了便利。例如，商业间谍可以通过无线网络更加隐秘的进行信息窃取，恐怖分子可以利用全球化的移动网络远程指挥恐怖活动等。因此，在权威的国家安全部门领导下，对可疑无线通信链路进行有针对性的、合法的窃听成为了增强公共安全，促进社会稳定，净化移动网络环境的重要选项。显然，随着网络规模的扩大，进行合法监控的压力也会随之增加，为了最大化的利用现有网络资源，尽量避免额外开销，协作式的无线网络监控技术应运而生。与大部分已有的协作物理层安全技术不同，协作式无线网络监控技术的特点是主动窃听可疑链路的传输内容，主动干预可疑接收机的信号接收，从而实现“攻守易势”，化被动为主动，在根源上避免信息泄露。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于信号旋转的无线监控方法，该方法能够有效的避免信息的泄露。
为达到上述目的，本发明所述的基于信号旋转的无线监控方法，无线监控网络包含一个可疑的源节点S，一个可疑目的节点D，一个合法监听节点E及一个协作干扰设备J，可疑的源节点S企图向可疑目的节点D发送敏感数据，合法监听节点E和协作干扰设备J通过相互协作截获协作干扰设备S发送的内容，可疑的源节点S、可疑目的节点D、合法监听节点E及协作干扰设备J均为单天线节点，且均工作于时分双工模式下，设定从节点i到节点j之间的信道系数建模为循环对称复高斯随机变量，记作
Figure BDA0002043922140000021
其中，i，j∈{S，D，E，J}，设信道系数满足互异性要求，即hij＝hji，每个节点的发送功率为P，节点i的接收机加性噪声记作ni，ni服从均值为零、方差为N0的循环对称复高斯分布，即
Figure BDA0002043922140000022
则有可疑的源节点S和可疑目的节点D只能获得可疑链路的信道信息hSD；合法监听节点E和协作干扰设备J可以获得hSE和hJE，其中，在数据传输开始之前，合法监听节点E利用可疑的源节点S发送的导频信号估计出可疑链路的信道信息hSE，然后将估计结果共享给协作干扰设备J，其中，hJE可以利用合法监听节点E和协作干扰设备J发送的导频信号在合法监听节点E和协作干扰设备J处估计得到；合法监听节点E和协作干扰设备J不能获得可疑链路的信道信息hSD；
数据传输开始后，可疑的源节点S向可疑目的节点D发送信息载荷符号xS，协作干扰设备J发送一个服从高斯分布的干扰信号wJ，则合法监听节点E和可疑目的节点D的接收信号分别为：
Figure BDA0002043922140000023
Figure BDA0002043922140000024
其中，干扰信号wJ为：
Figure BDA00020439221400000311
其中，θ表示干扰信号的旋转角度，w表示人工噪声信号，w是均值为零、方差为1的实高斯随机变量，∠x表示复数x的相位，将式(3)代入式(1)和式(2)中，得：
Figure BDA0002043922140000031
Figure BDA0002043922140000032
由式(4)得，在合法监听节点E的接收信号中，干扰信号的相位只与参数θ有关，通过自适应的调整θ的取值以控制干扰信号的注入方向，根据式(5)，在可疑目的节点D的接收信号中，干扰项的相位取决于θ、∠hJE和∠hJD，由于可疑目的节点D无法获得∠hJE，因此可疑目的节点D无法恢复出可疑的源节点S发送的信息，以实现基于信号旋转的无线监控。
合法监听节点对信号的检测过程为：
1)合法监听节点E将接收信号yE乘以相位旋转因子e-jθ，得充分统计量
Figure BDA0002043922140000033
为：
Figure BDA0002043922140000034
其中，等效信道系数
Figure BDA0002043922140000035
等效加性高斯白噪声
Figure BDA0002043922140000036
2)将充分统计量
Figure BDA0002043922140000037
展开成矢量形式，得
Figure BDA0002043922140000038
其中，
Figure BDA0002043922140000039
和
Figure BDA00020439221400000310
分别表示复数x的实部和虚部；
3)计算z的协方差矩阵Kz，其中，
Figure BDA0002043922140000041
4)将充分统计量
Figure BDA0002043922140000042
通过一个冲激响应为
Figure BDA0002043922140000043
的线性系统进行处理，得线性系统的输出信号
Figure BDA0002043922140000044
为：
Figure BDA0002043922140000045
其中，等效信道矩阵
Figure BDA0002043922140000046
基于式(9)，合法监听节点E采用最大似然算法进行检测，得信息载荷符号的估计值
Figure BDA0002043922140000047
旋转角度θ的确定过程为：
设信息载荷符号xS以相同的概率取值于离散星座集
Figure BDA0002043922140000048
设由所有可能的信号矢量
Figure BDA0002043922140000049
构成的集合记作
Figure BDA00020439221400000410
运用联合界，合法监听节点E在给定信道条件下的条件成对错误概率SEP为：
Figure BDA00020439221400000411
其中，
Figure BDA00020439221400000412
表示条件成对错误概率PEP；xi，j＝xS (i)-xS (j)表示码字差，根据式(10)，为了最小化合法监听节点E的符号错误概率(SEP)，则最佳的旋转角度θ★应满足
Figure BDA0002043922140000051
将
Figure BDA0002043922140000052
展开为：
Figure BDA0002043922140000053
其中，矩阵G为：
Figure BDA0002043922140000054
G具有两个不同的特征值
Figure BDA0002043922140000055
和
Figure BDA0002043922140000056
特征值λ1及λ2对应的特征向量分别为
Figure BDA0002043922140000057
Figure BDA0002043922140000058
通过特征分解，将
Figure BDA0002043922140000059
重新改写为：
Figure BDA00020439221400000510
当平均信噪比很高时，λ1＜＜λ2，令
Figure BDA00020439221400000511
表示信号矢量
Figure BDA00020439221400000512
在u2方向上的投影，则
Figure BDA00020439221400000513
可近似为：
Figure BDA00020439221400000514
其中，
Figure BDA00020439221400000516
表示码字间距离，将式(17)代入式(11)中，得
Figure BDA00020439221400000517
通过所有投影
Figure BDA00020439221400000518
构成新的星座集
Figure BDA00020439221400000519
，由式(18)可知，最佳的旋转角度为新的星座集
Figure BDA00020439221400000520
内各星座点之间的最小距离，通过选取最佳的投影方向u2以选取最佳的旋转角度，其中，u2为
Figure BDA0002043922140000061
的函数，设最佳的投影方向u2为
Figure BDA0002043922140000062
通过计算机搜索获得最佳的旋转角度θ★为：
θ★＝-β+∠hSE (19)。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于信号旋转的无线监控方法在具体操作时，利用合法监听节点E和协作干扰设备j之间的协作实现监控，避免对多天线结构和全双工技术的依赖性，易于实现，同时在数据传输开始之前，合法监听节点E利用可疑的源节点S发送的导频信号估计出可疑链路的信道信息hSE，然后将估计结果共享给协作干扰设备J，其中，hJE可以利用合法监听节点E和协作干扰设备J发送的导频信号在合法监听节点E和协作干扰设备J处估计得到，合法监听节点E和协作干扰设备J不能获得可疑链路的信道信息hSD，从而使得可疑目的节点无法恢复可疑的源节点S发送的信息，以有效避免信息的泄露。
附图说明
图1为本发明中无线监控系统的模型图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的基于信号旋转的无线监控方法包括以下步骤：
无线监控网络包含一个可疑的源节点S，一个可疑目的节点D，一个合法监听节点E及一个协作干扰设备J，可疑的源节点S企图向可疑目的节点D发送敏感数据，合法监听节点E和协作干扰设备J通过相互协作截获协作干扰设备S发送的内容，可疑的源节点S、可疑目的节点D、合法监听节点E及协作干扰设备J均为单天线节点，且均工作于时分双工模式下，设定从节点i到节点j之间的信道系数建模为循环对称复高斯随机变量，记作
Figure BDA0002043922140000071
其中，i，j∈{S，D，E，J}，设信道系数满足互异性要求，即hij＝hji，每个节点的发送功率为P，节点i的接收机加性噪声记作ni，ni服从均值为零、方差为N0的循环对称复高斯分布，即
Figure BDA0002043922140000072
则有可疑的源节点S和可疑目的节点D只能获得可疑链路的信道信息hSD；合法监听节点E和协作干扰设备J可以获得hSE和hJE，其中，在数据传输开始之前，合法监听节点E利用可疑的源节点S发送的导频信号估计出可疑链路的信道信息hSE，然后将估计结果共享给协作干扰设备J，其中，hJE可以利用合法监听节点E和协作干扰设备J发送的导频信号在合法监听节点E和协作干扰设备J处估计得到；合法监听节点E和协作干扰设备J不能获得可疑链路的信道信息hSD；
数据传输开始后，可疑的源节点S向可疑目的节点D发送信息载荷符号xS，协作干扰设备J发送一个服从高斯分布的干扰信号wJ，则合法监听节点E和可疑目的节点D的接收信号分别为：
Figure BDA0002043922140000073
Figure BDA0002043922140000074
其中，干扰信号wJ为：
Figure BDA0002043922140000075
其中，θ表示干扰信号的旋转角度，w表示人工噪声信号，w是均值为零、方差为1的实高斯随机变量，∠x表示复数x的相位，将式(3)代入式(1)和式(2)中，得：
Figure BDA0002043922140000081
Figure BDA0002043922140000082
由式(4)得，在合法监听节点E的接收信号中，干扰信号的相位只与参数θ有关，通过自适应的调整θ的取值以控制干扰信号的注入方向，根据式(5)，在可疑目的节点D的接收信号中，干扰项的相位取决于θ、∠hJE和∠hJD，由于可疑目的节点D无法获得∠hJE，因此可疑目的节点D无法恢复出可疑的源节点S发送的信息，以实现基于信号旋转的无线监控。
合法监听节点对信号的检测过程为：
1)合法监听节点E将接收信号yE乘以相位旋转因子e-jθ，得充分统计量
Figure BDA0002043922140000083
为：
Figure BDA0002043922140000084
其中，等效信道系数
Figure BDA0002043922140000085
等效加性高斯白噪声
Figure BDA0002043922140000086
2)将充分统计量
Figure BDA0002043922140000087
展开成矢量形式，得
Figure BDA0002043922140000088
其中，
Figure BDA0002043922140000089
和
Figure BDA00020439221400000810
分别表示复数x的实部和虚部；
3)计算z的协方差矩阵Kz，其中，
Figure BDA00020439221400000811
4)将充分统计量
Figure BDA0002043922140000091
通过一个冲激响应为
Figure BDA0002043922140000092
的线性系统进行处理，得线性系统的输出信号
Figure BDA0002043922140000093
为：
Figure BDA0002043922140000094
其中，等效信道矩阵
Figure BDA0002043922140000095
基于式(9)，合法监听节点E采用最大似然算法进行检测，得信息载荷符号的估计值
Figure BDA0002043922140000096
旋转角度θ的确定过程为：
设信息载荷符号xS以相同的概率取值于离散星座集
Figure BDA0002043922140000097
设由所有可能的信号矢量
Figure BDA0002043922140000098
构成的集合记作
Figure BDA00020439221400000913
运用联合界，合法监听节点E在给定信道条件下的条件成对错误概率SEP为：
Figure BDA0002043922140000099
其中，
Figure BDA00020439221400000910
表示条件成对错误概率PEP；xi，j＝xS (i)-xS (j)表示码字差，根据式(10)，为了最小化合法监听节点E的符号错误概率(SEP)，则最佳的旋转角度θ★应满足
Figure BDA00020439221400000911
将
Figure BDA00020439221400000912
展开为：
Figure BDA0002043922140000101
其中，矩阵G为：
Figure BDA0002043922140000102
G具有两个不同的特征值
Figure BDA0002043922140000103
和
Figure BDA0002043922140000104
特征值λ1及λ2对应的特征向量分别为
Figure BDA0002043922140000105
Figure BDA0002043922140000106
通过特征分解，将
Figure BDA0002043922140000107
重新改写为：
Figure BDA0002043922140000108
当平均信噪比很高时，λ1＜＜λ2，令
Figure BDA0002043922140000109
表示信号矢量
Figure BDA00020439221400001010
在u2方向上的投影，则
Figure BDA00020439221400001011
可近似为：
Figure BDA00020439221400001012
其中，
Figure BDA00020439221400001013
表示码字间距离，将式(17)代入式(11)中，得
Figure BDA00020439221400001014
通过所有投影
Figure BDA00020439221400001015
构成新的星座集
Figure BDA00020439221400001018
由式(18)可知，最佳的旋转角度为新的星座集
Figure BDA00020439221400001019
内各星座点之间的最小距离，通过选取最佳的投影方向u2以选取最佳的旋转角度，其中，u2为
Figure BDA00020439221400001016
的函数，设最佳的投影方向u2为
Figure BDA00020439221400001017
通过计算机搜索获得最佳的旋转角度θ★为：
θ★＝-β+∠hSE (19)。

Claims (3)

1.一种基于信号旋转的无线监控方法，其特征在于，无线监控网络包含一个可疑的源节点S，一个可疑目的节点D，一个合法监听节点E及一个协作干扰设备J，可疑的源节点S企图向可疑目的节点D发送敏感数据，合法监听节点E和协作干扰设备J通过相互协作截获可疑的源节点S发送的内容，可疑的源节点S、可疑目的节点D、合法监听节点E及协作干扰设备J均为单天线节点，且均工作于时分双工模式下，设定从节点i到节点j之间的信道系数建模为循环对称复高斯随机变量，记作
Figure FDA0002603684140000013
其中，i，j∈{S，D，E，J}，设信道系数满足互异性要求，即hij＝hji，每个节点的发送功率为P，节点i的接收机加性噪声记作ni，ni服从均值为零、方差为N0的循环对称复高斯分布，即
Figure FDA0002603684140000014
则有可疑的源节点S和可疑目的节点D只能获得可疑链路的信道信息hSD；合法监听节点E和协作干扰设备J可以获得hSE和hJE，其中，在数据传输开始之前，合法监听节点E利用可疑的源节点S发送的导频信号估计出可疑链路的信道信息hSE，然后将估计结果共享给协作干扰设备J，其中，hJE可以利用合法监听节点E和协作干扰设备J发送的导频信号在合法监听节点E和协作干扰设备J处估计得到；合法监听节点E和协作干扰设备J不能获得可疑链路的信道信息hSD；
数据传输开始后，可疑的源节点S向可疑目的节点D发送信息载荷符号xS，协作干扰设备J发送一个服从高斯分布的干扰信号wJ，则合法监听节点E和可疑目的节点D的接收信号分别为：
Figure FDA0002603684140000011
Figure FDA0002603684140000012
其中，干扰信号wJ为：
Figure FDA0002603684140000021
其中，θ表示干扰信号的旋转角度，w表示人工噪声信号，w是均值为零、方差为1的实高斯随机变量，∠x表示复数x的相位，将式(3)代入式(1)和式(2)中，得：
Figure FDA0002603684140000022
Figure FDA0002603684140000023
由式(4)得，在合法监听节点E的接收信号中，干扰信号的相位只与参数θ有关，通过自适应的调整θ的取值以控制干扰信号的注入方向，根据式(5)，在可疑目的节点D的接收信号中，干扰项的相位取决于θ、∠hJE和∠hJD，由于可疑目的节点D无法获得∠hJE，因此可疑目的节点D无法恢复出可疑的源节点S发送的信息，以实现基于信号旋转的无线监控。
2.根据权利要求1所述的基于信号旋转的无线监控方法，其特征在于，合法监听节点对信号的检测过程为：
1)合法监听节点E将接收信号yE乘以相位旋转因子e-jθ，得充分统计量
Figure FDA0002603684140000024
为：
Figure FDA0002603684140000025
其中，等效信道系数
Figure FDA0002603684140000026
等效加性高斯白噪声
Figure FDA0002603684140000027
2)将充分统计量
Figure FDA0002603684140000028
展开成矢量形式，得
Figure FDA0002603684140000029
其中，
Figure FDA00026036841400000210
和
Figure FDA00026036841400000211
分别表示复数x的实部和虚部；
3)计算z的协方差矩阵Kz，其中，
Figure FDA0002603684140000031
4)将充分统计量
Figure FDA0002603684140000032
通过一个冲激响应为
Figure FDA0002603684140000033
的线性系统进行处理，得线性系统的输出信号
Figure FDA0002603684140000034
为：
Figure FDA0002603684140000035
其中，等效信道矩阵
Figure FDA0002603684140000036
基于式(9)，合法监听节点E采用最大似然算法进行检测，得信息载荷符号的估计值
Figure FDA0002603684140000037
3.根据权利要求2所述的基于信号旋转的无线监控方法，其特征在于，旋转角度θ的确定过程为：
设信息载荷符号xS以相同的概率取值于离散星座集
Figure FDA0002603684140000038
设由所有可能的信号矢量
Figure FDA0002603684140000039
构成的集合记作
Figure FDA00026036841400000310
运用联合界，合法监听节点E在给定信道条件下的条件成对错误概率SEP为：
Figure FDA00026036841400000311
其中，
Figure FDA00026036841400000312
表示条件成对错误概率PEP；xi，j＝xS (i)-xS (j)表示码字差，根据式(10)，为了最小化合法监听节点E的符号错误概率(SEP)，则最佳的旋转角度θ★应满足
Figure FDA0002603684140000041
将
Figure FDA0002603684140000042
展开为：
Figure FDA0002603684140000043
其中，矩阵G为：
Figure FDA0002603684140000044
G具有两个不同的特征值
Figure FDA0002603684140000045
和
Figure FDA0002603684140000046
特征值λ1及λ2对应的特征向量分别为
Figure FDA0002603684140000047
Figure FDA0002603684140000048
通过特征分解，将
Figure FDA0002603684140000049
重新改写为：
Figure FDA00026036841400000410
当平均信噪比很高时，λ1＜＜λ2，令
Figure FDA00026036841400000411
表示信号矢量
Figure FDA00026036841400000412
在u2方向上的投影，则
Figure FDA00026036841400000413
可近似为：
Figure FDA00026036841400000414
其中，
Figure FDA00026036841400000415
表示码字间距离，将式(17)代入式(11)中，得
Figure FDA00026036841400000416
通过所有投影
Figure FDA00026036841400000417
构成新的星座集
Figure FDA00026036841400000418
由式(18)可知，最佳的旋转角度为新的星座集χp内各星座点之间的最小距离，通过选取最佳的投影方向u2以选取最佳的旋转角度，其中，u2为
Figure FDA0002603684140000051
的函数，设最佳的投影方向u2为
Figure FDA0002603684140000052
通过计算机搜索获得最佳的旋转角度θ★为：
θ★＝-β+∠hSE (19)。
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