CN111465017A - 双跳网络中基于信道的物理层认证方法 - Google Patents

双跳网络中基于信道的物理层认证方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111465017A
CN111465017A CN202010264006.5A CN202010264006A CN111465017A CN 111465017 A CN111465017 A CN 111465017A CN 202010264006 A CN202010264006 A CN 202010264006A CN 111465017 A CN111465017 A CN 111465017A
Authority
CN
China
Prior art keywords
relay
channel
eve
alice
power
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010264006.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111465017B (zh
Inventor
陶涛
雷霞
肖悦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Electronic Science and Technology of China
Original Assignee
University of Electronic Science and Technology of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Electronic Science and Technology of China filed Critical University of Electronic Science and Technology of China
Priority to CN202010264006.5A priority Critical patent/CN111465017B/zh
Publication of CN111465017A publication Critical patent/CN111465017A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111465017B publication Critical patent/CN111465017B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W12/00—Security arrangements; Authentication; Protecting privacy or anonymity
    • H04W12/06—Authentication
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B17/00—Monitoring; Testing
    • H04B17/30—Monitoring; Testing of propagation channels
    • H04B17/309—Measuring or estimating channel quality parameters
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B17/00—Monitoring; Testing
    • H04B17/30—Monitoring; Testing of propagation channels
    • H04B17/309—Measuring or estimating channel quality parameters
    • H04B17/336—Signal-to-interference ratio [SIR] or carrier-to-interference ratio [CIR]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Quality & Reliability (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Security & Cryptography (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

本发明属于物理层安全技术领域，具体涉及双跳网络中基于信道的物理层认证方法。在含中继的无线双跳网络中，因为中继与收端的信道环境存在差异，可以通过联合调整发端与中继的发射功率，使系统在发射总功率不变的情况下，认证性能得到提升，虚警率与漏检率的和达到最小。在具体的实施中，首先测量中继与收端的噪声功率，根据信噪比与能效要求确定发送总功率，然后按照所提方案分配给发端与中继。利用一比特的量化器量化同一子载波上相邻时刻信道频率响应差值的平方，然后等增益合并多个独立子载波上的量化结果作为检验统计量，进行二元假设检验，判定接收信号是否来自合法发送方。

Description

双跳网络中基于信道的物理层认证方法
技术领域
本发明属于物理层安全技术领域，具体涉及一种双跳网络中基于信道的物理层认证方法。
背景技术
物理层认证技术利用信道，设备，信号等的物理特性，实现发方的身份识别，有易于实现，安全性强，与上层协议兼容等优点。现有的物理层认证技术，大致分为三类：基于水印的认证方法：将认证信息嵌入已调制好的信号中；基于射频指纹的认证方法：利用发端硬件设备的特异性，如载波频率偏移等；基于信道特性的认证方法：利用信道的空时唯一性，提取出信道特征，如信道频率响应，幅度，到达角度，多普勒等。
基于信道特性的物理层认证原理是，依据电磁传播理论，当合法方与非法方间的距离远大于波长时，两者经历的信道衰落独立；在相干时间内的两帧数据，信道变化较小。物理层认证技术通过对发送方的身份进行验证，抵抗伪造消息类的攻击，能有效提升信息传输的可靠性。相比于上层的认证技术，具有认证速度快，复杂度低，兼容性强的优点。
发明内容
本发明的目的是，在含放大转发类中继的双跳无线网络中，利用信道特性实现对发送方身份的认证，同时通过优化发端与中继的功率配比，使基于信道特性的物理层认证系统在总发射功率不变的条件下，认证性能得到提升。
本发明的技术方案为：利用中继与接收端在环境与设备方面的差异性，联合调整发端与中继的发射功率，使认证系统中虚警率与漏检率的和达到最小。认证系统采用的方案为，首先量化同一子载波相邻时刻信道频率响应的变化，然后合并多个独立子载波上的量化结果进行判决。
在双跳网络的物理层认证系统中，合法发方记为Alice，非法发方为Eve,假设Alice与Eve有相同的发射功率P1；中继记为Relay，其发射功率为P2，噪声功率为N1；收方记为Bob，噪声功率为N2；系统总发射功率为P。X-Relay为第一段信道(X为Alice或Eve)，Relay-Bob为第二段信道。具体认证步骤如下：
S1、初始化：测量中继与接收端处的噪声功率N1，N2，根据信噪比与能效要求确定总发射功率P，按照本发明分配发射功率，分配比为：
Figure BDA0002440524950000021
S2、信道估计：估计t时刻级联信道X-Relay-Bob第n个子载波上的信道频率响应
Figure BDA0002440524950000022
和第二段信道Relay-Bob第n个子载波上的信道频率响应H2,n(t)。式
Figure BDA0002440524950000023
中X表示A或E，
Figure BDA0002440524950000024
表示t时刻收到的信号来自合法发送方Alice，级联信道Alice-Relay-Bob的信道频率响应在第n个子载波上的值；
Figure BDA0002440524950000025
表示t时刻收到的信号来自非法发送方Eve，级联信道Eve-Relay-Bob的信道频率响应在第n个子载波上的值。
S3、量化：定义第n个子载波上相邻两个时刻级联信道频率响应差值的平方为
Figure BDA0002440524950000026
式中X表示A或E，
Figure BDA0002440524950000027
表示当前时刻收到的信号来自Alice，
Figure BDA0002440524950000028
与上一时刻
Figure BDA0002440524950000029
差值的平方；
Figure BDA00024405249500000210
表示当前时刻收到的信号来自Eve，
Figure BDA00024405249500000211
与上一时刻
Figure BDA00024405249500000212
差值的平方。引入一比特的量化器量化
Figure BDA00024405249500000213
量化门限为Thn，量化结果为Qn。
Figure BDA00024405249500000214
S4、合并判决：对N个独立子载波上的量化结果进行等增益合并
Figure BDA00024405249500000215
然后进行判决。
H0:Ω<Z
H1:Ω≥Z
其中，判决门限Z可以根据实际系统中对于漏检率与虚警率的不同要求在[1,N]的范围进行调整。H0假设成立时，判定接收信号来自Alice；H1假设成立时，判定接收信号来自非法方Eve。
本发明的有益效果是：
本发明根据中继与接收端的噪声功率，联合调整发端与中继的发射功率，使双跳无线网络中基于信道特性的物理层认证系统，在发送总功率不变的条件下，虚警率与漏检率的和达到最小，认证性能得到提升。
附图说明
图1为在不同噪声环境下，本发明所提功率分配方案与仿真中实际最优方案的比较。
图2为在不同噪声环境下，本发明所提方案下的虚警率与漏检率的和与实际最小和的比较。
具体实施方式
级联信道t时刻第n个子载波上的信道频率响应可以表示为：
Figure BDA0002440524950000031
其中
Figure BDA0002440524950000032
H2,n(t)分别为第n个子载波上第一段与第二段的信道频率响应，n1(t)，n2(t)分别为中继与收端处的噪声。
Figure BDA0002440524950000033
H2,n(t)，n1(t)，n2(t)都服从均值为0的复高斯分布，方差分别为
Figure BDA0002440524950000034
用差值的平方衡量第n个子载波相邻时刻信道频率响应的变化。
Figure BDA0002440524950000035
因为无论Bob收到的消息来自Alice还是Eve，经历的第二段信道是相同的，所以假设H2,n(t)，H2,n(t-1)已知。则在t时刻，
Figure BDA0002440524950000036
与
Figure BDA0002440524950000037
均服从指数分布。Eve与Alice有相同的发射功率，则指数分布的参数分别为：
Figure BDA0002440524950000038
Figure BDA0002440524950000039
式中α为第一段信道时域的相关系数α＝J0(2πTfd)，式中J0(·)表示零阶贝塞尔函数，fd为第一段信道中的多普勒频移，T为t时刻与t-1时刻的时间间隔。
引入一比特的量化器，量化同一子载波相邻时刻信道频率响应的变化：
Figure BDA0002440524950000041
式中，Thn是针对第n个子载波的量化门限，Qn是第n个量化器的输出结果。
在t时刻，
Figure BDA0002440524950000042
被量化为1的概率记为Pfa,n(t)，
Figure BDA0002440524950000043
被量化成0的概率是记为Pmd,n(t)。
Figure BDA0002440524950000044
Figure BDA0002440524950000045
式中
Figure BDA0002440524950000046
Figure BDA0002440524950000047
分别为
Figure BDA0002440524950000048
与
Figure BDA0002440524950000049
的概率密度函数。
在整个过程中，
Figure BDA00024405249500000410
被量化为1的概率是Pfa,n(t)对H2,n(t)与H2,n(t-1)的数学期望，记为Pfa,n，同理可得，整个过程中
Figure BDA00024405249500000411
被量化成0的概率Pmd,n。
在N个独立的子载波上进行相同的量化操作，然后将N个量化结果进行等增益合并
Figure BDA00024405249500000412
基于合并结果构建二元假设检验:
H0:Ω<Z
H1:Ω≥Z
式中Z为判决门限，若H0假设成立，则判定t时刻收到的信号来自于合法发Alice，反之，则来自Eve。
因为每个子载波上的Pfa,n与Pmd,n是相同的，对N个独立的量化结果合并判决，得到系统的虚警率Pfa与漏检率Pmd为：
Figure BDA00024405249500000413
Figure BDA0002440524950000051
虚警率与漏检率是衡量认证性能的两个重要指标，通常情况下，两者相互制约，当虚警率减小时，漏检率往往会升高。定义优化目标为使虚警率与漏检率的和最小，
Figure BDA0002440524950000052
s.t.P1+P2＝P
在噪声与发射总功率一定的条件下，虚警率与漏检率还受到门限的影响。最优量化门限所满足的充分条件为：
Figure BDA0002440524950000053
解得最佳门限Thn：
Figure BDA0002440524950000054
将最优量化门限代入虚警率与漏检率的表达式，化简目标函数得：
Figure BDA0002440524950000055
忽略掉常数项，对幂指数函数取对数，然后利用一阶泰勒级数的零点展开式化简上式。原优化问题等价为
Figure BDA0002440524950000056
s.t.P1+P2＝P
可以证明
Figure BDA0002440524950000057
成立，所以
Figure BDA0002440524950000058
是目标函数的上界，通过最小化上界可以得到原问题的近似最优解。利用各个节点的发射功率与噪声功率表示出上界：
Figure BDA0002440524950000061
Figure BDA0002440524950000062
式中，P2是中继的发射功率，β是第二段信道的相关系数，β＝J0(2πTfd)。优化问题转换为：
Figure BDA0002440524950000063
s.t.P1+P2＝P
解此问题得到，上界的极小值点为
Figure BDA0002440524950000064
上述步骤中，使用上界
Figure BDA0002440524950000065
代替等价的目标函数
Figure BDA0002440524950000066
得到的极小值点与实际最最小值点可能存在偏差。定义系统信噪比为总发射功率与总噪声功率的比值，在附图1与附图2中，总发射功率与总噪声功率不变，SNR＝15dB，横坐标表示不同的噪声情况，为中继噪声功率与总噪声功率的比值。附图1中两条曲线分别为本发明提出的功率分配方案与通过仿真找到的实际最优功率分配方案。附图2为两种功率分配方案对应的认证性能，用虚警率与漏检率的和表示，从图2中可以看出本发明提出的功率分配方案与实际最优功率分案性能差异小于0.003。

Claims (1)

1.双跳网络中基于信道的物理层认证方法，在双跳网络的物理层认证系统中，定义合法发射方为Alice，非法发射方为Eve,设定Alice与Eve有相同的发射功率P1；中继记为Relay，发射功率为P2，噪声功率为N1；接收方记为Bob，噪声功率为N2；系统总发射功率为P，X-Relay为第一段信道，X为Alice或Eve，Relay-Bob为第二段信道，其特征在于，包括以下步骤：
S1、初始化：测量中继与接收端处的噪声功率N1，N2，根据信噪比与能效要求确定总发射功率P，设定分配比为：
Figure FDA0002440524940000011
S2、信道估计：估计t时刻级联信道X-Relay-Bob第n个子载波上的信道频率响应
Figure FDA0002440524940000012
和第二段信道Relay-Bob第n个子载波上的信道频率响应H2,n(t)，
Figure FDA0002440524940000013
中X表示A或E，
Figure FDA0002440524940000014
表示t时刻收到的信号来自合法发送方Alice时，级联信道Alice-Relay-Bob的信道频率响应在第n个子载波上的值；
Figure FDA0002440524940000015
表示t时刻收到的信号来自非法发送方Eve时，级联信道Eve-Relay-Bob的信道频率响应在第n个子载波上的值；
S3、量化：定义第n个子载波上相邻两个时刻级联信道频率响应差值的平方为
Figure FDA0002440524940000016
式中X表示A或E，
Figure FDA0002440524940000017
表示当前时刻收到的信号来自Alice时，
Figure FDA0002440524940000018
与上一时刻
Figure FDA0002440524940000019
差值的平方；
Figure FDA00024405249400000110
表示当前时刻收到的信号来自Eve时，
Figure FDA00024405249400000111
与上一时刻
Figure FDA00024405249400000112
差值的平方；引入一比特的量化器量化
Figure FDA00024405249400000113
量化门限为Thn，量化结果为Qn：
Figure FDA00024405249400000114
S4、合并判决：对N个独立子载波上的量化结果进行等增益合并
Figure FDA00024405249400000115
然后进行判决：
H0:Ω<Z
H1:Ω≥Z
其中，判决门限Z为根据实际系统中对于漏检率与虚警率的不同要求在[1,N]的范围进行调整，H0假设成立时，判定接收信号来自Alice；H1假设成立时，判定接收信号来自非法方Eve。
CN202010264006.5A 2020-04-07 2020-04-07 双跳网络中基于信道的物理层认证方法 Expired - Fee Related CN111465017B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010264006.5A CN111465017B (zh) 2020-04-07 2020-04-07 双跳网络中基于信道的物理层认证方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010264006.5A CN111465017B (zh) 2020-04-07 2020-04-07 双跳网络中基于信道的物理层认证方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111465017A true CN111465017A (zh) 2020-07-28
CN111465017B CN111465017B (zh) 2021-05-14

Family

ID=71682503

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010264006.5A Expired - Fee Related CN111465017B (zh) 2020-04-07 2020-04-07 双跳网络中基于信道的物理层认证方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111465017B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112532328A (zh) * 2021-02-07 2021-03-19 中国人民解放军国防科技大学 一种信道特征量化方法、装置、电子设备及存储介质
CN114157423A (zh) * 2021-12-02 2022-03-08 中国人民解放军国防科技大学 基于信道相位的物理层身份认证方法及系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108770069A (zh) * 2018-06-06 2018-11-06 哈尔滨工业大学 用于卫星通信网络物理层安全通信的功率分配方法
CN108882299A (zh) * 2018-07-06 2018-11-23 杭州电子科技大学 无线多跳网络的分布式拥塞控制、路由及功率分配方法
CN108924836A (zh) * 2018-07-04 2018-11-30 南方电网科学研究院有限责任公司 一种基于深度神经网络的边缘侧物理层信道认证方法
WO2019061514A1 (zh) * 2017-09-30 2019-04-04 深圳大学 安全的无线通信物理层斜率认证方法和装置
CN109600742A (zh) * 2017-09-30 2019-04-09 深圳大学 隐蔽的无线通信物理层斜率认证方法和装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019061514A1 (zh) * 2017-09-30 2019-04-04 深圳大学 安全的无线通信物理层斜率认证方法和装置
CN109600742A (zh) * 2017-09-30 2019-04-09 深圳大学 隐蔽的无线通信物理层斜率认证方法和装置
CN108770069A (zh) * 2018-06-06 2018-11-06 哈尔滨工业大学 用于卫星通信网络物理层安全通信的功率分配方法
CN108924836A (zh) * 2018-07-04 2018-11-30 南方电网科学研究院有限责任公司 一种基于深度神经网络的边缘侧物理层信道认证方法
CN108882299A (zh) * 2018-07-06 2018-11-23 杭州电子科技大学 无线多跳网络的分布式拥塞控制、路由及功率分配方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
WEI XI,SILIANG SUO,TIANTIAN CAI,GANYANG JIAN,HAO YAO,LIN FAN: "《A Design and Implementation Method of IPSec》", 《IEEE》 *
房宵杰: "《基于加权分数傅里叶变换的物理层》", 《中国博士学位论文全文数据库》 *
程国兵、肖丽霞、肖 悦、李少谦: "《一种改进的 OFDM/OQAM 系统信道估计算法》", 《电子与信息学报》 *
赵越、方旭明、黄博、陈煜: "《基于负载均衡的OFDMA双跳中继网络资源分配策略》", 《西南交通大学学报》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112532328A (zh) * 2021-02-07 2021-03-19 中国人民解放军国防科技大学 一种信道特征量化方法、装置、电子设备及存储介质
CN114157423A (zh) * 2021-12-02 2022-03-08 中国人民解放军国防科技大学 基于信道相位的物理层身份认证方法及系统
CN114157423B (zh) * 2021-12-02 2024-01-30 中国人民解放军国防科技大学 基于信道相位的物理层身份认证方法及系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN111465017B (zh) 2021-05-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111465017B (zh) 双跳网络中基于信道的物理层认证方法
CN108834113B (zh) 一种面向5g蜂窝网物理层安全的d2d隐蔽通信系统及其通信方法
CN110290548B (zh) 一种基于人工噪声的协作空间调制系统的保密速率计算方法
WO2019061514A1 (zh) 安全的无线通信物理层斜率认证方法和装置
Abdelgader et al. A secret key extraction technique applied in vehicular networks
US20230231706A1 (en) Signal transmission apparatus, signal reception apparatus, signal transmission method, and signal reception method in autoencoder-based encryption key generation system
KR101078440B1 (ko) 차동 위상 및 코히어런트 진폭 변조로 신호의 신호 대잡음비 추정치의 분산을 감소시키는 방법
CN115276988B (zh) 一种四强度测量设备无关密钥分发方法
CN110113281B (zh) 一种mimo通信中多进制fsk非相干检测实现空分复用的方法
Xu et al. Asynchronous and high-accuracy digital modulated signal detection by sensor networks
KR20150054541A (ko) Rfid 리더기의 수신 장치 및 수신 방법
CN114980086A (zh) 模型训练、密钥生成方法、训练设备、通信方及系统
Wu et al. Covert Communication via IRS with Unequal Transmit Prior Probabilities
CN102740432A (zh) 动态传输功率控制方法
Wang et al. Performance of cooperative spectrum sensing over fading channels with low signal-to-noise ratio
CN113783640B (zh) 一种基于接收信号强度的导频污染攻击检测方法和系统
CN112217633A (zh) 基于高频声音信号的安全密钥提取方法
Dey et al. Decision fusion in space-time spreading aided distributed MIMO WSNs
GB2439770A (en) Decision error compensation in wireless MIMO receivers
KR101515925B1 (ko) 제한된 피드백을 가지는 협력적 인지 무선 네트워크의 성능 평가 방법
CN114614941B (zh) 一种基于自保护干扰和协同干扰的水声网络安全通信方法
CN113055057B (zh) 一种基于毫米波多天线信道稀疏峰值特性的物理层认证方法
CN112968849B (zh) 基于混沌的安全鲁棒雷达通信一体化系统、控制方法及介质
CN114520717B (zh) 一种基于最优偏置的门限检测的连续变量量子密钥分发协议的安全性分析方法
CN115334511A (zh) 一种边缘节点与终端用户的无线通信安全建立方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20210514