CN111182550B - 大规模mimo系统在导频攻击下的攻击检测方法 - Google Patents

大规模mimo系统在导频攻击下的攻击检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大规模MIMO系统在导频攻击下的攻击检测方法。本发明将导频分为两段，并且每段导频均可单独实现信道估计。在发送第二段导频时改变合法用户的发射功率。根据两段信道估计中合法信道和攻击信道的占比不同构造出一个检验统计量，该检验统计量在有导频攻击和无导频攻击的情况下分别服从于不同参数的正态分布，通过将该统计量与门限值的判决实现多小区大规模MIMO系统的导频攻击检测。该方法中，天线数越大，攻击检测概率越高；训练导频的样本数越大，检测概率也越大。

Description

大规模MIMO系统在导频攻击下的攻击检测方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别涉及在大规模MIMO多小区系统中处于导频攻击下的攻击检测技术。
背景技术
随着大规模MIMO技术的发展，物理层安全问题得到了足够的重视。波束成形技术能够根据信道估计的结果设计预编码矩阵，从而使信号朝着合法用户方向发送，有着较好的保密性。当系统中出现攻击者，该攻击者一般采用与合法用户相同的导频，造成对合法用户的导频干扰，进而影响信道估计，最终使得波束成形技术处理过的信号不完全朝着合法用户的方向，使攻击者更容易窃听通信中发送的信息。因此，检测出导频污染攻击行为是非常有意义的。特别是在多小区情况下，基站接收信号还会受到来自其他小区的合法用户干扰，此时，相对于单小区导频攻击来说，多小区系统更难区分来自其他小区中的导频信号和攻击者的导频信号。
发明内容
本发明的目的在于提出一种大规模MIMO系统在导频攻击下的攻击检测方法。本发明将导频分为两段，并且每段导频均可单独实现信道估计。在发送第二段导频时改变合法用户的发射功率。根据两段信道估计中合法信道和攻击信道的占比不同构造出一个检验统计量，该检验统计量在有导频攻击和无导频攻击的情况下分别服从于不同参数的正态分布，通过将该检验统计量与判决阈值的判决实现多小区大规模MIMO系统的导频攻击检测。该方法中，天线数越大，攻击检测概率越高；训练导频的样本数越大，检测概率也越大。
一种大规模MIMO系统在导频攻击下的攻击检测方法，其步骤包括：
步骤S1：考虑一个有L个小区的大规模MIMO系统，每个小区包含多个单天线的合法用户和一个配置M根天线的基站，目标小区中有一个单天线的主动窃听者。在上行导频发送阶段，合法用户(UE0)发送第n位导频时，主动窃听者也发送同样的导频信号，目标基站接收到的信号y(n)表示为：
Figure BDA0002355889880000021
其中，PB和PE分别是合法用户和攻击者的发送功率，hl为第l小区中与合法用户UE0使用相同导频的用户到目标小区基站的信道矩阵，hE为窃听者到目标小区基站的信道矩阵，
Figure BDA0002355889880000022
是均值为0的噪声向量，xp(n)为第n位导频，θ(n)为第n位导频的功率变化控制因子。
步骤S2：将长度为2N的导频分为两部分，第一部分包含前N位导频，即当n≤N时，θ(n)＝1；第二部分包含后N位导频，当N<n≤2N时，θ(n)＝α；那么，当用户UE0发送前N位导频时，目标基站接收到的N维上行接收信号记为Ya；当用户UE0发送后N位导频时，目标基站接收到的N维上行接收信号记为Yb。
步骤S3：根据前N位导频的上行接收信号Ya，可以得到信道估计
Figure BDA0002355889880000023
根据后N位导频的上行接收信号Yb，可以得到信道估计
Figure BDA0002355889880000024
考察两次信道估计的差异：
Figure BDA0002355889880000025
记
Figure BDA0002355889880000026
记
Figure BDA0002355889880000027
其中||g||为检验统计量g的二范数，则Q在有导频攻击和无导频攻击时将服从不同的正态分布。
步骤S4：定义两个事件：H0和H1；
H0:不存在导频污染攻击；H1:存在导频污染攻击。
在H0下，Q的概率密度函数f0(x)可以表示为：
Figure BDA0002355889880000028
其中，在H0下Q的数学期望μ1和方差σ1 2分别是：μ1＝E(Q)和
Figure BDA0002355889880000029
Figure BDA00023558898800000210
步骤S5：给定虚警概率Pfa，利用概率密度函数f0(x)求解判决阈值γ：
Figure BDA00023558898800000211
步骤S6：如果实际中
Figure BDA00023558898800000212
则接受H0，认为不存在导频污染攻击；如果
Figure BDA0002355889880000031
则接受H1，认为存在导频污染攻击。
特别的，步骤S3中所述的信道估计方法，可以是最小二乘(LS)信道估计，也可以是最小均方误差估计等其他信道估计方法。
本发明有益效果如下：
本发明将导频分为两段，并且每段导频均可单独实现信道估计。在发送第二段导频时改变合法用户的发射功率。根据两段信道估计中合法信道和攻击信道的占比不同构造出一个检验统计量，该检验统计量在有导频攻击和无导频攻击的情况下分别服从于不同参数的正态分布，通过将该统计量与门限值的判决实现多小区大规模MIMO系统的导频攻击检测。
本发明中天线数越大，攻击检测概率越高；训练导频的样本数越大，检测概率也越大。
本发明适用于采用时分双工(TDD)通信系统中，也适用于发射端天线数较大的多天线通信系统。
附图说明
图1为本发明的导频攻击检测流程图。
具体实施方式
面参照附图并结合本发明的优选实施例来描述本发明的大规模MIMO系统在导频攻击下的攻击检测方法。
根据本发明的基本构思，在设计一种多小区大规模MIMO系统的导频攻击检测方法时，该方案将导频分为等长的两段，并且每段导频均可单独实现信道估计。在发送第二段导频时改变合法用户的发射功率。根据两段信道估计中合法信道和攻击信道的占比不同构造出一个检验统计量，该检验统计量在有导频攻击和无导频攻击的情况下服从于不同参数的正态分布，从而实现多小区大规模MIMO系统的导频攻击检测。该方法中，天线数越大，攻击检测概率越高；训练导频的样本数越大，检测概率也越大。
下步骤S1：考虑一个有L个小区的大规模MIMO系统，每个小区包含若干个单天线的合法用户和一个配置M根天线的基站，目标小区中有一个单天线的主动窃听者。在上行导频发送阶段，合法用户(UE0)发送第n位导频时，窃听者也发送同样的导频信号，目标基站接收到的信号y(n)表示为：
Figure BDA0002355889880000041
其中，PB和PE分别是合法用户和攻击者的发送功率，hl为第l小区中与用户UE0使用相同导频的用户到目标小区基站的信道矩阵，hE为窃听者到目标小区基站的信道矩阵，
Figure BDA0002355889880000042
是均值为0的噪声向量，xp(n)为第n位导频，θ(n)为第n位导频的功率变化控制因子。
步骤S2：将长度为2N的导频分为两部分，第一部分包含前N位导频，即当n≤N时，θ(n)＝1；第二部分包含后N位导频，当N<n≤2N时，θ(n)＝α；那么，当用户UE0发送前N位导频时，目标基站接收到的N维上行信号记为Ya；当用户UE0发送后N位导频时，目标基站接收到的N维上行信号记为Yb。
步骤S3：根据前N位导频的上行接收信号Ya，采用LS估计得到信道估计
Figure BDA0002355889880000043
根据后N位导频的上行接收信号Yb，采用LS估计得到信道估计
Figure BDA0002355889880000044
对信道估计结果进行处理得到向量g，其中
Figure BDA0002355889880000045
当天线数M趋于无穷大时，Q＝1/M||g||2服从正态分布。
步骤S4：定义两个事件，H0和H1，即H0:不存在导频污染攻击；H1:存在导频污染攻击。在H0下，Q的概率密度函数f0(x)可以表示为：
Figure BDA0002355889880000046
其中，在H0下Q的数学期望和方差分别是：
Figure BDA0002355889880000047
和
Figure BDA0002355889880000048
Figure BDA0002355889880000049
这里σ2表示噪声v(n)的方差。
步骤S5：给定虚警概率Pfa，可以利用f0(x)求解判决阈值γ：
Figure BDA0002355889880000051
步骤S6：如果实际中
Figure BDA0002355889880000052
则接受H0，认为不存在导频污染攻击；如果
Figure BDA0002355889880000053
则接受H1，认为存在导频污染攻击。
特别的，步骤S3中所述的信道估计方法，可以是最小二乘(LS)信道估计，也可以是最小均方误差估计等其他信道估计方法。
特别的，该方法适用于采用时分双工(TDD)通信系统中。
特别的，该方法也适用于发射端天线数较大的多天线通信系统。

Claims (4)

1.大规模MIMO系统在导频攻击下的攻击检测方法，其特征在于本发明将导频分为两段，并且每段导频均可单独实现信道估计；在发送第二段导频时改变合法用户的发射功率；根据两段信道估计中合法信道和攻击信道的占比不同构造出一个检验统计量，该检验统计量在有导频攻击和无导频攻击的情况下分别服从于不同参数的正态分布，通过将该检验统计量与判决阈值进行判决实现多小区大规模MIMO系统的导频攻击检测；
包括如下步骤：
步骤S1：考虑一个有L个小区的大规模MIMO系统，每个小区包含多个单天线的合法用户和一个配置M根天线的基站，目标小区中有一个单天线的主动窃听者；在上行导频发送阶段，合法用户UE0发送第n位导频时，窃听者也发送同样的导频信号，目标基站接收到的信号y(n)表示为：
Figure FDA0003935521400000011
其中，PB和PE分别是合法用户和窃听者的发送功率，hl为第l小区中与用户UE0使用相同导频的用户到目标小区基站的信道矩阵，hE为窃听者到目标小区基站的信道矩阵，
Figure FDA0003935521400000012
是均值为0的噪声向量，xp(n)为第n位导频，θ(n)为第n位导频的功率变化控制因子；
步骤S2：将长度为2N的导频分为两部分，第一部分包含前N位导频，即当n≤N时，θ(n)＝1；第二部分包含后N位导频，当N<n≤2N时，θ(n)＝α；那么，当用户UE0发送前N位导频时，目标基站接收到的N维上行接收信号记为Ya；当用户UE0发送后N位导频时，目标基站接收到的N维上行接收信号记为Yb；
步骤S3：根据前N位导频的上行接收信号Ya，可以得到信道估计
Figure FDA0003935521400000013
根据后N位导频的上行接收信号Yb，可以得到信道估计
Figure FDA0003935521400000014
考察两次信道估计的差异：
Figure FDA0003935521400000015
记
Figure FDA0003935521400000016
记
Figure FDA0003935521400000017
其中||g||为检验统计量g的二范数，则Q在有导频攻击和无导频攻击时将服从不同的正态分布；
步骤S4：定义两个事件，H0和H1，即H0:不存在导频污染攻击；H1:存在导频污染攻击；在H0下，Q的概率密度函数f0(x)可以表示为：
Figure FDA0003935521400000021
其中，在H0下Q的数学期望和方差分别是：μ1＝E(Q)和
Figure FDA0003935521400000022
步骤S5：给定虚警概率Pfa，利用f0(x)求解判决阈值γ：
Figure FDA0003935521400000023
步骤S6：如果实际中
Figure FDA0003935521400000024
则接受H0，认为不存在导频污染攻击；如果
Figure FDA0003935521400000025
则接受H1，认为存在导频污染攻击。
2.根据权利要求1所述的大规模MIMO系统在导频攻击下的攻击检测方法，其特征在于步骤S3中所述的信道估计方法最小二乘(LS)信道估计或最小均方误差估计。
3.根据权利要求1或2所述的大规模MIMO系统在导频攻击下的攻击检测方法，其特征在于该方法适用于采用时分双工通信系统。
4.根据权利要求1或2所述的大规模MIMO系统在导频攻击下的攻击检测方法，其特征在于该方法适用于发射端天线数较大的多天线通信系统。
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