CN113055057B - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

本发明公开了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，该方法利用毫米波多天线信道稀疏峰值特性进行通信认证，该方法的步骤包括：Bob首先对初始信号进行上层认证确定合法发送者Alice的身份，随后用户通过毫米波MIMO信道向Bob发送认证信号，Bob在接收信号后，然后通过提取和比较该用户信道号中稀疏峰值并计算其与前一时刻信道稀疏峰值的向量差值和门限值，判断该发送者的身份是否为合法Alice。本发明所述认证方法计算复杂低，无需复杂的上层加密运算，识别准确率高，具有快速、高效的优势，十分适用于资源受限的微型终端。

Description

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
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及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。
背景技术
随着无线通信的飞速发展和基于移动终端业务的增长，无线网络的安全问题备受关注。5G毫米波多天线技术支持大规模物联网和边缘计算的超高速和超大容量通信，物联网中心节点将会作为边缘计算节点，作为小型的数据中心，微云中心，合理的调度，管理控制各类物联网无线设备。在边缘计算节点与各个无线设备的通信网络中，将会出现一系列的被攻击方式，比如克隆节点攻击，他们会对边缘计算节点发起拒绝服务攻击，导致物联网网络的瘫痪。由于克隆节点拥有与合法节点相同的ID和密钥信息等，所以传统的基于密码学的认证机制无法识别出克隆节点。物理层信道认证利用无线信道信息的空时唯一性，通过比较连续帧之间的信道信息相似性来判断用户身份，无需复杂的上层加密运算，具有快速、高效的优势，十分适用于资源受限的微型终端。但是，实际无线环境中物理层认证的门限难以获取和确定，从而影响了识别准确率。
然而当前的大多数物理层安全认证方法是针对频率较低的微波信道特性(载波频率在6G赫兹以下)。由于毫米波多天线信道衰落特性和微波特性有着较大区别，其信道变化速度更快，并且呈现出明显的稀疏径特性和非高斯特性，当前基于微波通信的物理层认证技术直接应用于毫米波通信的探测准确度很低。因此，本专利提出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，有快速、高效的优势，十分适用于资源受限的微型终端。
现有技术提出了检验统计量T和门限值之间的比较，可对合法用户Bob进行有效的认证，其中检验统计量T由第n+1帧的信道矩阵和第n帧的信道矩阵计算得到：
Figure BDA0002340773010000011
其中，
Figure BDA0002340773010000012
表示第n+1帧验证者信道信息，
Figure BDA0002340773010000013
表示第n帧和合法用户的信道信息，η为门限值。
零假设H0：当前后连续数据帧的信道信息“差值”小于门限值时，发送者身份合法；
备择假设H1：当前后连续数据帧的信道信息“差值”大于门限值时，发送者身份非法。
发明内容
本发明针对当前基于微波通信的物理层认证技术直接应用于毫米波通信探测准确度低的问题，目的在于提供一种能够更快速和高效认证的物理层认证方法及系统。
本发明是通过以下的技术方案来实现的：
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，该方法基于毫米波多天线信道稀疏峰值特性，通过比较连续帧之间的信道信息相似性来判断用户身份是否为合法身份。
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，包括如下步骤：
S1，Bob首先对初始信号进行上层认证确定合法发送者Alice的身份；
S2，随后用户Alice通过毫米波MIMO信道向Bob发送认证信号；
S3，Bob接收信号后，估计认证信号的初始帧对应的毫米波信道HA，通过转换得到对应的波束域稀疏信道表示Hv；
S4，Bob提取出稀疏信道中L个稀疏峰值对应的横纵坐标值，得到稀疏峰值坐标向量Hv(AoAs,AoDs)(n)；
S5，Bob接收当前帧，估计该帧对应的信道，通过步骤S4的方法对H(n+1)进行稀疏处理转换和提取稀疏峰值向量，得到对应H(n+1)的稀疏峰值向量Hv(AoAs,AoDs)(n+1)，并建立假设检验条件；
S6，在步骤S5的假设检验条件下，Bob通过两个连续数据帧稀疏峰值向量的差值和指定门限的比较，判断发送者身份是否为合法Alice。
进一步的，一种物理层认证方法，所述的波束域稀疏信道表示Hv是通过下式计算得到：
Figure BDA0002340773010000021
其中Ur和
Figure BDA0002340773010000022
为单位离散傅里叶矩阵。
进一步的，一种物理层认证方法，所述的稀疏峰值向量的横坐标或者纵坐标按照从小到大或者从大到小顺序整理通过下式表示：
Hv(AoAs,AoDs)＝(AoA1,AoD1,AoA2,AoD2,...AoAL,AoDL)
进一步的，一种物理层认证方法，所述的步骤S5是从两种假设检验条件出发，进行发送者身份的合法认证，两种情况为：
H0：
Figure BDA0002340773010000023
不存在攻击行为，身份合法
H1：
Figure BDA0002340773010000024
存在攻击行为，身份不合法
进一步的，一种物理层认证方法，所述的步骤S6通过初始帧和当前帧稀疏峰值向量差值与指定门限的比较，实现发送者Alice身份的合法认证，比较过程如下式所示：
H0:
Figure BDA0002340773010000031
H1:
Figure BDA0002340773010000032
其中||·||m1表示矩阵的m1范数。
本发明的有益效果：本发明所述认证方法计算复杂低，无需复杂的上层加密运算，识别准确率高，具有快速、高效的优势，十分适用于资源受限的微型终端。
附图说明
图1是本发明所涉及的物理层认证方法的信号模型示意图。
图2是本发明所涉及的毫米波多天线信道稀疏转换后峰值特性图。
图3是本发明所涉及的基于稀疏峰值(实线)与传统毫米波CSI(虚线)的认证准确率与虚警率对比情况图。
图4是本发明所涉及的物理层认证方法的认证流程图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
图1示出了本实例所涉及的物理层认证方法的信号模型示意图。
如图1所示，基于毫米波多天线信道稀疏峰值特性的物理层认证方法及系统，具有发射端和接收终端，其中发射端可以包括合法发射端和非法发射端。发射端用于毫米波MIMO信道发射信号，发射端通常是合法发射方。接收终端通过天线阵接收发射端发射的信号，并进行信号认证。在一些实施例中，上述的信号模型中的发射端可以包括基站或者用户通信设备，接收终端可以包括基站或者其它微型终端。
图2示出了本实施例所涉及的毫米波多天线信道稀疏转换后峰值特性图。
图3示出了基于稀疏峰值(实线)与传统毫米波CSI(虚线)的认证准确率与虚警率对比情况图。
如图2所示，毫米波在进行稀疏转换后会呈现出明显的峰值特性。当前的大多数物理层安全认证方法是针对频率较低的微波信道特性(载波频率在6G赫兹以下)。由于毫米波多天线信道衰落特性和微波特性有着较大区别，其信道变化速度更快，并且呈现出明显的稀疏径特性和非高斯特性，当前基于微波通信的物理层认证技术直接应用于毫米波通信的探测准确度很低。而图3则很好的体现了毫米波CSI与稀疏峰值的认证准确率对比情况。因此，本实施例提出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及系统，识别准确率高，有快速、高效的优势，十分适用于资源受限的微型终端。
图4示出了本实施例所涉及的物理层认证方法的认证流程图。
本实施例中以Bob对Alice的认证过程作为示例，包括如下步骤：
Bob首先对初始信号进行上层认证确定合法发送者Alice的身份；
随后用户Alice通过毫米波MIMO信道向Bob发送认证信号；
Bob估计Alice的初始帧对应的毫米波信道HA，根据HA得到波束域稀疏信道表示Hv，计算公式如下式所示：
Figure BDA0002340773010000041
其中Ur和
Figure BDA0002340773010000042
为单位离散傅里叶矩阵；
Bob提取出Hv中L个稀疏峰值对应的横纵坐标值，得到稀疏峰值坐标向量按照横坐标或者纵坐标从小到大或者从大到小如下顺序将L整理为一个向量表示为
Hv(AoAs,AoDs)＝(AoA1,AoD1,AoA2,AoD2,...AoAL,AoDL)
例如，若上述向量按照坐标轴AoA方向排序，则Hv(AoAs,AoDs)中的L对坐标的AoA值满足AoA1<AoA2<....AoAL；
Bob接收到下一个数据帧的时候，估计该帧对应的信道新型H(n+1)，通过上一个步骤的方法对H(n+1)进行稀疏处理和提取稀疏峰值向量，得到对应H(n+1)的稀疏峰值向量Hv(AoAs,AoDs)(n+1)。在这个过程中，Bob建立如下假设检验：
H0:
Figure BDA0002340773010000043
No attack
H1:
Figure BDA0002340773010000044
There is an attack
在前一个步骤的假设检验条件下，Bob通过两个连续数据帧稀疏峰值向量的差值和指定门限的比较，判断发送者身份是否为合法Alice。如果n+1时刻的稀疏向量峰值小于指定门限，则认为该数据帧为Alice发送，否则为Eve发送。判断过程满足下式
H0：
Figure BDA0002340773010000045
不存在攻击行为，身份合法
H1：
Figure BDA0002340773010000046
存在攻击行为，身份不合法
其中||·||m1表示矩阵的m1范数。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一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，其特征在于，包括如下步骤：
S1，Bob首先对初始信号进行上层认证确定合法发送者Alice的身份；
S2，随后用户Alice通过毫米波MIMO信道向Bob发送认证信号；
S3，Bob接收信号后，估计Alice的初始帧对应的毫米波信道HA，根据HA得到波束域稀疏信道表示Hv；
S4，Bob提取出Hv中L个稀疏峰值对应的横纵坐标值，得到稀疏峰值坐标向量Hv(AoAs,AoDs)(n)；
S5，Bob接收当前帧，估计该帧对应的信道新型H(n+1)，通过步骤S4的方法对H(n+1)进行稀疏处理和提取稀疏峰值向量，得到对应H(n+1)的稀疏峰值向量Hv(AoAs,AoDs)(n+1)，并建立假设检验条件；
S6，在步骤S5的假设检验条件下，Bob通过两个连续数据帧稀疏峰值向量的差值和指定门限的比较，判断发送者身份是否为合法Alice。
2.根据权利要求1所述的物理层认证方法，其特征在于，所述波束域稀疏信道表示Hv是通过下式计算得到：
Figure FDA0002340771000000011
其中Ur和
Figure FDA0002340771000000012
为单位离散傅里叶矩阵。
3.根据权利要求1所述的物理层认证方法，其特征在于，所述稀疏峰值向量的横坐标或者纵坐标按照从小到大或者从大到小顺序整理通过下式表示：
Hv(AoAs,AoDs)＝(AoA1,AoD1,AoA2,AoD2,...AoAL,AoDL)。
4.根据权利要求1所述的物理层认证方法，其特征在于，所述的步骤S5建立两种假设检验条件，进行发送者Alice身份的合法认证，两种情况为：
Figure FDA0002340771000000013
不存在攻击行为，身份合法
Figure FDA0002340771000000014
存在攻击行为，身份不合法。
5.根据权利要求1所述的物理层认证方法，其特征在于，所述的步骤S6通过初始帧和当前帧稀疏峰值向量差值与指定门限的比较，实现发送者Alice身份的合法认证，比较过程如下式所示：
Figure FDA0002340771000000015
Figure FDA0002340771000000016
其中||·||m1表示矩阵的m1范数。
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