CN111600843A - 一种主动式合法监听方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种主动式合法监听方法，其中主要涉及到一对可疑用户和一个合法监听端，可疑发送端向可疑接收端传输可疑信息，合法监听端对可疑发送端和可疑接收端之间的可疑链路进行监听。合法监听端采用译码转发中继方式，一边接收可疑发送端传输的可疑信息，一边向可疑接收端中继接收到的可疑信息。本发明通过将合法监听端做为欺骗中继，这样可疑发送端和可疑接收端都感知不到合法监听端的存在，成功实现了对可疑发送端和可疑接收端之间的通信内容的主动监听。

Description

一种主动式合法监听方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种主动式合法监听方法。

背景技术

目前，物联网作为重要的研究内容，其终极目标就是通过无线连接的方式将所有的设备连接起来，其中设备千差万别，从特别小的静态传感器到较大的无人机或者车辆，都可以被涵盖其中。然而，无论是传感器产生的信号，还是机器型通信系统内部交换的信号，通常都是以短包形式进行传输的。

物联网的应用能够使人们的日常生活变得更加便捷，产生很多正面的价值。然而，无人机通信等机器型通信容易被非法利用，而且很难被监测。这样就给公共安全的维护带来了巨大的挑战。所以通过相关部门设立合法的监听点是十分有必要的。但是，目前发现还没有基于短包的主动式合法监听方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种主动式合法监听方法，其中主要涉及到一对可疑用户和一个合法监听端，可疑发送端向可疑接收端传输可疑信息，合法监听端对可疑发送端和可疑接收端之间的可疑链路进行监听。合法监听端采用译码转发中继方式，一边接收可疑发送端传输的可疑信息，一边向可疑接收端中继接收到的可疑信息。本发明通过将合法监听端做为欺骗中继，这样可疑发送端和可疑接收端都感知不到合法监听端的存在，成功实现了对可疑发送端和可疑接收端之间的通信内容的主动监听。

本申请实施例提供了如下技术方案：

一种主动式合法监听方法，所述方法包括：

根据所述短包信息理论，得到合法监听端能够主动监听到可疑链路的满足的第一条件，所述第一条件为可疑发送端和合法监听端之间监听链路的香农容量大于等于可疑发送端和可疑接收端之间可疑链路的香农容量时，可疑发送端和合法监听端之间监听链路的信道编码速率大于可疑发送端和可疑接收端之间可疑链路的信道编码速率，使得合法监听端能够作为可疑发送端和可疑接收端之间可疑链路的中继成功监听可疑链路；

在满足第一条件下，合法监听端作为可疑发送端和可疑接收端之间可疑链路的中继，合法监听端采用译码转发中继方式，一边接收可疑发送端传输的可疑信息，一边向可疑接收端中继转发接收到的可疑信息，实现了对可疑发送端和可疑接收端之间的通信内容的主动监听。

其中，根据所述短包信息理论，得到合法监听端能够主动监听到可疑链路的满足的第一条件，具体包括：

第一步，根据短包信息理论，当给定错误概率ε时，信道编码速率R可以表示为

其中Q^-1(·)表示Q函数的反函数，Q函数表示为

L表示包长，C＝log₂(1+γ)表示香农容量，γ表示信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)，这里信道编码速率R的单位为bits/channel use。经过简单转换，上式可以表示为

根据短包信息理论，给定信道编码速率R，错误概率ε可以表示为

第二步，可疑发送端和合法监听端之间监听链路的信道编码速率表示为

其中C_E＝log₂(1+γ_E)，γ_E＝g₁P₁/σ_E ²表示合法监听端信噪比SNR，g₁表示监听链路的信道增益，P₁表示可疑发送端传输功率，σ_E ²表示合法监听端噪声功率，ε_E表示合法监听端错误概率。

第三步，可疑发送端和可疑接收端之间可疑链路的有效信道编码速率表示为

其中C_D＝log₂(1+γ_D)，γ_D＝(g₀P₁+g₂P₂)/σ_D ²表示可疑接收端有效信噪比SNR，g₀表示可疑链路的信道增益，g₂表示中继链路的信道增益，中继链路表示合法监听端到可疑接收端之间的链路，P₂表示合法监听端传输功率，σ_D ²表示可疑接收端噪声功率，ε_D表示可疑接收端错误概率。ε_D可以表示为

ε_D＝ε₀[ε_E+(1-ε_E)ε₂]

其中ε₀和ε₂分别表示可疑链路和中继链路的错误概率。

由于(1-ε_E)(1-ε₂)≥0，可知ε_E+ε₂-ε_Eε₂≤1。进一步，可以推出ε_D≤ε₀。此外，首先考虑ε_E≥ε₂，可以推出ε_D＝ε₀ε_E(1-ε₂)+ε₀ε₂≤ε₀ε_E+ε₀ε₂≤2ε₀ε_E。综合起来，可以得到

ε_D≤ε₀·min{2ε_E,1}

当x＞0时，Q(x)＜0.5，可知ε＜0.5，则ε_E＜0.5。这样可以推出ε_D＜ε_E。

而当ε_E＜ε₂，可以推出ε_D＜ε₂。但是，ε_E≥ε₂更合理一些。理由包括：ε₂随着合法监听端传输速率的减小而减小；ε₂随着合法监听端传输功率增大而减小；同时，ε_E随着合法监听端传输功率增大而增大。总之，通过减小合法监听端的传输速率或者增大合法监听端的传输功率，可以将ε₂控制为一个很小的值。

第四步，得到当C_E≥C_D时，R_E＞R_D，即合法监听端能够成功监听可疑链路。具体如下：

首先，当C_E＝C_D时，得到

其中易知

利用Q^-1(x)是关于x的单调递减函数，又根据ε_D＜ε_E，所以可以推出Q^-1(ε_D)＞Q^-1(ε_E)。这样，可知当C_E＝C_D时，R_E＞R_D。

其次，经过近似，得到

可知信道编码速率R随着香农容量C增大而增大。那么，R_D随着C_D增大而增大。和C_E＝C_D相比，如果C_E＞C_D，说明C_D减小了，所以R_E肯定大于R_D。

综合起来，即为当C_E≥C_D时，R_E＞R_D，使得合法监听端能够作为可疑发送端和可疑接收端之间可疑链路的中继成功监听可疑链路。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本申请实施例提供了一种主动式合法监听方法，其中主要涉及到一对可疑用户和一个合法监听端，可疑发送端向可疑接收端传输可疑信息，合法监听端对可疑发送端和可疑接收端之间的可疑链路进行监听。合法监听端采用译码转发中继方式，一边接收可疑发送端传输的可疑信息，一边向可疑接收端中继接收到的可疑信息。本发明通过将合法监听端做为欺骗中继，这样可疑发送端和可疑接收端都感知不到合法监听端的存在，成功实现了对可疑发送端和可疑接收端之间的通信内容的主动监听。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，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为本申请一个实施例所提供的一种主动式合法监听方法的示意图。

具体实施方式

正如背景技术部分所述，目前发现还没有基于短包的主动式合法监听方法。

发明人研究发现，传统的无线物理层安全研究当中，一般都假设无线通信过程是合法的，而监听者是非法的。通常情况下，研究的内容都是如何维持通信的保密性和如何防止非法窃听。相反地，合法监听可以说是无线物理层安全研究中的一个重大转变，因为在合法监听场景中，监听者都是合法的，监听者的目的是监测可疑链路的信息。一般地，合法监听包括被动监听和主动监听两种方式。目前关于合法主动监听的研究都是基于长包形式进行传输的网络，还没有基于短包的主动式合法监听方法。

本发明的核心思想是，针对现有的技术不足，基于短包理论提出一种主动式合法监听方法。其中主要涉及到一对可疑用户和一个合法监听端，可疑发送端向可疑接收端传输可疑信息，合法监听端对可疑发送端和可疑接收端之间的可疑链路进行监听。合法监听端采用译码转发中继方式，一边接收可疑发送端传输的可疑信息，一边向可疑接收端中继接收到的可疑信息。本发明通过将合法监听端做为欺骗中继，这样可疑发送端和可疑接收端都感知不到合法监听端的存在，成功实现了对可疑发送端和可疑接收端之间的通信内容的主动监听。

图1是一种主动式合法监听方法的流程图，具体包括：

根据短包信息理论，得到合法监听端能够主动监听到可疑链路的满足的第一条件，第一条件为可疑发送端和合法监听端之间监听链路的香农容量大于等于可疑发送端和可疑接收端之间可疑链路的香农容量时，可疑发送端和合法监听端之间监听链路的信道编码速率大于可疑发送端和可疑接收端之间可疑链路的信道编码速率，使得合法监听端能够作为可疑发送端和可疑接收端之间可疑链路的中继成功监听可疑链路；

在满足第一条件下，合法监听端作为可疑发送端和可疑接收端之间可疑链路的中继，合法监听端采用译码转发中继方式，一边接收可疑发送端传输的可疑信息，一边向可疑接收端中继转发接收到的可疑信息。本发明通过将合法监听端做为欺骗中继，这样可疑发送端和可疑接收端都感知不到合法监听端的存在，成功实现了对可疑发送端和可疑接收端之间的通信内容的主动监听。

其中，根据短包信息理论，得到合法监听端能够主动监听到可疑链路的满足的第一条件，具体包括：

第一步，根据短包信息理论，当给定错误概率ε时，信道编码速率R可以表示为

其中Q^-1(·)表示Q函数的反函数，Q函数表示为

L表示包长，C＝log₂(1+γ)表示香农容量，γ表示信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)。这里信道编码速率R的单位为bits/channel use。经过简单转换，上式可以表示为

根据短包信息理论，给定信道编码速率R，错误概率ε可以表示为

第二步，可疑发送端和合法监听端之间监听链路的信道编码速率表示为

其中C_E＝log₂(1+γ_E)，γ_E＝g₁P₁/σ_E ²表示合法监听端信噪比SNR，g₁表示监听链路的信道增益，P₁表示可疑发送端传输功率，σ_E ²表示合法监听端噪声功率，ε_E表示合法监听端错误概率。

第三步，可疑发送端和可疑接收端之间可疑链路的有效信道编码速率表示为

其中C_D＝log₂(1+γ_D)，γ_D＝(g₀P₁+g₂P₂)/σ_D ²表示可疑接收端有效信噪比SNR，g₀表示可疑链路的信道增益，g₂表示中继链路的信道增益，中继链路表示合法监听端到可疑接收端之间的链路。P₂表示合法监听端传输功率，σ_D ²表示可疑接收端噪声功率，ε_D表示可疑接收端错误概率。ε_D可以表示为ε_D＝ε₀[ε_E+(1-ε_E)ε₂]

其中ε₀和ε₂分别表示可疑链路和中继链路的错误概率。

由于(1-ε_E)(1-ε₂)≥0，可知ε_E+ε₂-ε_Eε₂≤1。进一步，可以推出ε_D≤ε₀。此外，首先考虑ε_E≥ε₂，可以推出ε_D＝ε₀ε_E(1-ε₂)+ε₀ε₂≤ε₀ε_E+ε₀ε₂≤2ε₀ε_E。综合起来，可以得到

ε_D≤ε₀·min{2ε_E,1}

当x＞0时，Q(x)＜0.5，可知ε＜0.5，则ε_E＜0.5。这样可以推出ε_D＜ε_E。

而当ε_E＜ε₂，可以推出ε_D＜ε₂。但是，ε_E≥ε₂更合理一些。理由包括：ε₂随着合法监听端传输速率的减小而减小；ε₂随着合法监听端传输功率增大而减小；同时，ε_E随着合法监听端传输功率增大而增大。总之，通过减小合法监听端的传输速率或者增大合法监听端的传输功率，可以将ε₂控制为一个很小的值。

第四步，得到当C_E≥C_D时，R_E＞R_D，即合法监听端能够成功监听可疑链路。具体如下：

首先，当C_E＝C_D时，得到

其中易知

利用Q^-1(x)是关于x的单调递减函数，又根据ε_D＜ε_E，所以可以推出Q^-1(ε_D)＞Q^-1(ε_E)。这样，可知当C_E＝C_D时，R_E＞R_D。

其次，经过近似，得到

可知信道编码速率R随着香农容量C增大而增大。那么，R_D随着C_D增大而增大。和C_E＝C_D相比，如果C_E＞C_D，说明C_D减小了，所以R_E肯定大于R_D。

综合起来，即为当C_E≥C_D时，R_E＞R_D，使得合法监听端能够作为可疑发送端和可疑接收端之间可疑链路的中继成功监听可疑链路。

可见，本申请基于短包理论提出一种主动式合法监听方法，即基于短包理论推到出了合法监听端能够主动监听到可疑链路的满足的第一条件；在满足第一条件下，合法监听端作为可疑发送端和可疑接收端之间可疑链路的中继，合法监听端采用译码转发中继方式，一边接收可疑发送端传输的可疑信息，一边向可疑接收端中继转发接收到的可疑信息。本发明通过将合法监听端做为欺骗中继，这样可疑发送端和可疑接收端都感知不到合法监听端的存在，成功实现了对可疑发送端和可疑接收端之间的通信内容的主动监听。

本申请获取了如下技术效果：

(1)考虑目前机器型通信技术容易被非法利用，提出了一种合法监听方法，合法监听端采用译码转发的中继方法，一边监听可疑发送端传输的可疑信息，一边向可疑接收端中继接收到的可疑信息，改善合法监听端的监听效果。

(2)提出了可疑接收端的错误概率与可疑链路、监听链路及中继链路的错误概率有关。

(3)提出了可疑接收端的错误概率小于合法监听端的错误概率这种更为合理的情况。

(4)基于短包理论，通过近似和相减等方法，提出当C_E≥C_D时，R_E＞R_D，即合法监听端能够成功监听可疑链路。

(5)在物联网中，无论是传感器产生的信号，还是机器型通信系统内部交换的信号，通常都是以短包形式进行传输的，所以基于短包理论的监听方法更适用于目前的发展。

(6)考虑合法监听端采用译码转发的中继方法，可以通过向可疑接收端中继从可疑发送端接收的信息，达到改善监听效果的目的。

本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (1)

1.一种主动式合法监听方法，其特征在于，所述方法包括：

根据所述短包信息理论，得到合法监听端能够主动监听到可疑链路的满足的第一条件，所述第一条件为可疑发送端和合法监听端之间监听链路的香农容量大于等于可疑发送端和可疑接收端之间可疑链路的香农容量时，可疑发送端和合法监听端之间监听链路的信道编码速率大于可疑发送端和可疑接收端之间可疑链路的信道编码速率，使得合法监听端能够作为可疑发送端和可疑接收端之间可疑链路的中继成功监听可疑链路；

在满足第一条件下，合法监听端作为可疑发送端和可疑接收端之间可疑链路的中继，合法监听端采用译码转发中继方式，一边接收可疑发送端传输的可疑信息，一边向可疑接收端中继转发接收到的可疑信息，实现了对可疑发送端和可疑接收端之间的通信内容的主动监听。

其中，根据所述短包信息理论，得到合法监听端能够主动监听到可疑链路的满足的第一条件，具体包括：

第一步，根据短包信息理论，当给定错误概率ε时，信道编码速率R可以表示为

其中Q^-1(·)表示Q函数的反函数，Q函数表示为

L表示包长，C＝log₂(1+γ)表示香农容量，γ表示信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)，这里信道编码速率R的单位为bits/channel use。经过简单转换，上式可以表示为

根据短包信息理论，给定信道编码速率R，错误概率ε可以表示为

第二步，可疑发送端和合法监听端之间监听链路的信道编码速率表示为

其中C_E＝log₂(1+γ_E)，γ_E＝g₁P₁/σ_E ²表示合法监听端信噪比SNR，g₁表示监听链路的信道增益，P₁表示可疑发送端传输功率，σ_E ²表示合法监听端噪声功率，ε_E表示合法监听端错误概率。

第三步，可疑发送端和可疑接收端之间可疑链路的有效信道编码速率表示为

其中C_D＝log₂(1+γ_D)，γ_D＝(g₀P₁+g₂P₂)/σ_D ²表示可疑接收端有效信噪比SNR，g₀表示可疑链路的信道增益，g₂表示中继链路的信道增益，中继链路表示合法监听端到可疑接收端之间的链路，P₂表示合法监听端传输功率，σ_D ²表示可疑接收端噪声功率，ε_D表示可疑接收端错误概率。ε_D可以表示为

ε_D＝ε₀[ε_E+(1-ε_E)ε₂]

其中ε₀和ε₂分别表示可疑链路和中继链路的错误概率。

由于(1-ε_E)(1-ε₂)≥0，可知ε_E+ε₂-ε_Eε₂≤1。进一步，可以推出ε_D≤ε₀。此外，首先考虑ε_E≥ε₂，可以推出ε_D＝ε₀ε_E(1-ε₂)+ε₀ε₂≤ε₀ε_E+ε₀ε₂≤2ε₀ε_E。综合起来，可以得到

ε_D≤ε₀·min{2ε_E,1}

当x＞0时，Q(x)＜0.5，可知ε＜0.5，则ε_E＜0.5。这样可以推出ε_D＜ε_E。

而当ε_E＜ε₂，可以推出ε_D＜ε₂。但是，ε_E≥ε₂更合理一些。理由包括：ε₂随着合法监听端传输速率的减小而减小；ε₂随着合法监听端传输功率增大而减小；同时，ε_E随着合法监听端传输功率增大而增大。总之，通过减小合法监听端的传输速率或者增大合法监听端的传输功率，可以将ε₂控制为一个很小的值。

第四步，得到当C_E≥C_D时，R_E＞R_D，即合法监听端能够成功监听可疑链路。具体如下：

首先，当C_E＝C_D时，得到

其中易知

利用Q^-1(x)是关于x的单调递减函数，又根据ε_D＜ε_E，所以可以推出Q^-1(ε_D)＞Q^-1(ε_E)。这样，可知当C_E＝C_D时，R_E＞R_D。

其次，经过近似，得到

可知信道编码速率R随着香农容量C增大而增大。那么，R_D随着C_D增大而增大。和C_E＝C_D相比，如果C_E＞C_D，说明C_D减小了，所以R_E肯定大于R_D。

综合起来，即为当C_E≥C_D时，R_E＞R_D，使得合法监听端能够作为可疑发送端和可疑接收端之间可疑链路的中继成功监听可疑链路。

Images