CN113259941B

CN113259941B - 基于反向散射波束成形的调节无线设备通信安全性的系统

Info

Publication number: CN113259941B
Application number: CN202110517327.6A
Authority: CN
Inventors: 欧阳铭伟; 朱丰源; 田晓华; 王新兵
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2021-05-12
Filing date: 2021-05-12
Publication date: 2023-02-17
Anticipated expiration: 2041-05-12
Also published as: CN113259941A

Abstract

本发明提供了一种基于反向散射波束成形的调节无线设备通信安全性的系统，包括：信号强度分布系统模型；用于调节接收端信号强度的可编程天线阵列；攻击/防御模式的最优化建模与求解；自身信号调节PCB。本发明能够提高物联网设备使用的稳定性和安全性。本发明中，可编程天线阵列可以提高或者降低接收端的信号强度，使其信号强度可以改变‑35～+15dBm，取决于接收端本身的信号强度及安全需求。本发明提出自身信号调节PCB，参考可编程天线阵列，能够将算法部署到PCB板上，大大提高了物联网通信设备的安全性，灵活性也高于当前采用的MIMO、智能反射平面技术。

Description

基于反向散射波束成形的调节无线设备通信安全性的系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体地，涉及基于反向散射波束成形的调节无线设备通信安全性的系统。

背景技术

随着物联网技术的快速发展，物联网技术已经迅速发展到各行各业之中。物联网以其高速率、易部署、延时低等优点，在未来网络部署中起到了至关重要的作用。而逐渐发展起来的物联网技术，面临着一个巨大的难题，即通信安全问题。未来的物联网技术需要大规模推广，必须保证接入系统的每一个设备能够实现有效的通信，因此如何提高接收端的信号强度是一个需要解决的问题。

在公开号为CN112333821A的中国发明专利申请文件中，公开了一种基于波束成形的无线通信方法、装置、设备及可读存储介质，该方法包括：获取各个目标智能设备的接收信号强度，基于接收信号强度确定第一目标智能设备和第二目标智能设备；基于显性波束成形的方式确定第一目标智能设备的波束成形；基于隐性波束成形的方式确定第二目标智能设备的波束成形。无线通信设备基于各个目标智能设备的接收信号强度，选择显性波束成形或隐形波束成形的方式进行波束成形，基于波束成形确定各个目标智能设备的发射信号，保障了各个智能设备的接收信号强度，提升了信号的稳定性。

在未来6G技术的发展策略中，提高接收端的信号强度就是非常重要的一条。例如，在大型商场中，通过接入多个小基站，利用反向散射波束成形就能够实现用户在每一个角落都能够有比较高的信号强度，从而提高使用体验。而最基本的方法就是反向散射波束成形。同样，如果能够对设备的信号强度进行干扰，这也是未来物联网的一种潜在攻击方式。虽然提高发射端的信号强度，也能提高接收端的信号强度，然而这并不是一个鲁棒的方案。

物联网的一个重要特征就是低功耗，因此，针对此问题，一个重要的前提就是必须考虑功耗有限，即在功率有限的情况下去调节接收端的信号强度。在未来的智能物联网中，现场可编程门阵列(FPGA)和微控制单元(MCU)的异构式系统会成为发展主流。而这样的系统中，电路布线会根据系统产生高低电平，由于其本身的金属性将会产生类似的天线效应，从而有可以调节系统本身的信号强度。

近年来，反向散射波束成形技术的发展解决了多径效应引发的信号强度不稳定问题，并使得物联网系统的通信稳定性和安全性大幅度提升。MIMO(multiple-input andmultiple-output)技术是应用反向散射波束成形技术较为成熟的案例，它是指一种通过利用多根天线同时发送和接收多个数据信号的技术，其提高信号强度的主要方式是对每个发射天线发射的相同信号进行幅度和相位补偿，从而使信号功率在接收端输入处最大化。2019年Shangguan Longfei等人于NSDI发表的“Towards Programming the RadioEnvironment with Large Arrays of Inexpensive Antennas”一文中提出了LAIA可编程信道的设计，利用大规模天线阵列，动态改善单天线和多天线链路的无线信道，补偿相位幅度。2020年Venkat Arun等人在NSDI发表的“RFocus:Beamforming Using Thousands ofPassive Antennas”一文中设计了RFcous系统，该系统是一个由微型RF开关构成的二维平面，通过众数投票优化算法对接收端的信号强度进行提升，本质上是一个反向散射波束成形算法二值化的应用。然而，以上设计都是仅对信号强度进行提升，未考虑到无线空间安全的复杂性，没有对如何减小目标点的信号强度进行探索；同时，LAIA和RFcous本身系统尺寸较大，存在着在物联网系统中部署困难的问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供基于反向散射波束成形的调节无线设备通信安全性的系统。

根据本发明提供的一种基于反向散射波束成形的调节无线设备通信安全性的系统，包括：

信号强度分布系统模型：依据天线阵列对信号强度影响所构建的线性方程，考虑多径效应影响之下建立的网格系统；

可编程天线阵列：根据信号强度分布系统模型，进入到攻击/防御模式，对接收端的信号强度进行调节；

可编程天线阵列工作模式切换切换：根据目标点信号强度，进行攻击/防御模式的最优化建模与求解。

优选的，建立所述信号强度分布系统模型包括以下步骤：

步骤S2.1：围绕攻击/防御目标点构建粒度为1-2mm的网格网络；

步骤S2.2：选定天线阵列的天线布局，使每一根天线产生随机的反射态或接受态；

步骤S2.3：采用信号表征方式对于一个点的信号情况进行表示；

步骤S2.4：求出每根天线对每个网格根据自由空间路径损耗计算的信号强度，考虑天线之间的相互干扰以及多径效应。

优选的，所述可编程天线阵列调节信号强度包括以下步骤：

步骤S3.1：控制端根据无线信道需求，判别进入攻击/防御模式；

步骤S3.2：控制端对天线阵列进行编程配置，通过天线阵列对目标点进行信号影响；

步骤S3.3：测量目标点的信号强度向控制端进行反馈，根据优化算法进行迭代，在有限步内取得最优解或近似最优解，达到攻击/防御效果。

优选的，所述步骤S3.1中判别进入攻击/防御模式的依据包括：

针对非法设备，降低它接收端的信号强度，是一种攻击模式；

针对合法设备，当无线电环境中噪声干扰较大或存在波段时，提升其接收端的信号强度，是一种防御模式；

针对合法设备，当无线电环境中存在非法指令时，为避免设备受到干扰，需降低设备接收端信号强度，是一种防御模式。

优选的，所述攻击/防御模式的最优化建模与求解包括以下步骤：

步骤S5.1：建立数学模型，构造最优化问题：min/max|RSSI|,RSSI是接收端信号强度；

步骤S5.2：根据天线阵列对RSSI的影响程度，采用不同的优化策略；

步骤S5.3：根据无线信道状态选择迭代次数，实现优化。

优选的，所述步骤S5.2中采用不同优化策略的依据包括：

天线阵列对RSSI的影响较大时，采用投票方式快速执行策略；

天线阵列对RSSI的影响较小时，采用黑盒优化方式执行策略。

优选的，所述选择迭代次数的依据包括：

当信道状态不稳定，变化较大时，选择较少的迭代次数，提高优化效率，便于进行快速优化；

当信道状态较稳定时，选择较多迭代次数，逼近最优值，实现更好的优化效果。

优选的，所述系统存储在自身信号调节PCB中。

优选的，所述自身信号调节PCB的结构包括：

MCU：微控制单元，是整个系统的控制端；

天线走线：由MCU控制，对接收端的信号强度进行调节；

接收端天线：用于连入物联网设备，并用于接收端信号强度。

优选的，所述自身信号调节PCB的信号强度调节步骤包括：

步骤S10.1：控制端根据无线信道需求，判别进入攻击/防御模式；

步骤S10.2；控制端对天线阵列进行编程配置，通过天线阵列对目标点(通常为接收端)进行信号影响；

步骤S10.3：测量目标点的信号强度向控制端进行反馈，根据优化算法进行迭代，在有限步内取得最优解或近似最优解，达到攻击/防御效果。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明能够实现提升物联网设备的安全性，针对无线信道出现的复杂情况，进入攻击/防御模式，对目标点的信号强度进行调节，最高实现-35～+15dBm的改变。

2、本发明设计的信号强度分布系统模型及优化算法，能够针对信道状态不稳定的情况下，对信号强度进行实时的调节，以满足设备的正常使用和保护。

3、本发明提供的自身信号调节PCB，将系统部署于PCB板上，大大提高了反向散射波束成形系统的部署性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为申请实施例基于反向散射波束成形的调节无线设备通信安全性的系统中建立信号强度分布系统模型的流程图；

图2为申请实施例基于反向散射波束成形的调节无线设备通信安全性的系统中可编程天线阵列调节信号强度的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

一种基于反向散射波束成形的调节无线设备通信安全性的系统，具体的包括：信号强度分布系统模型、可编程天线阵列、可编程天线阵列工作模式切换。

信号强度分布系统模型：依据天线阵列对信号强度影响所构建的线性方程，考虑天线阵列与接收端距离在10cm之内，并考虑多径效应影响之下建立的网格系统。参照图1，建立信号强度分布系统模型包括以下步骤：

步骤S1.1：围绕攻击/防御目标点构建粒度为1-2mm的网格网络。

步骤S1.2：选定天线阵列的天线布局，使每一根天线产生随机的反射态或接受态。

步骤S1.3：采用一种新的信号表征方式

P_r是根据自由空间路径损耗计算的信号强度，

是欧拉算子，j是虚数符号，

是相位；对于某一个点的信号情况用

表示，N表示天线的数量，用其模的平方表示信号强度大小。

步骤S1.4：求出每根天线对每个网格根据自由空间路径损耗计算的信号强度，考虑天线之间的相互干扰以及多径效应，对

乘上系数αe^jφ，其中α是实数，满足0α≤1，φ表示相位，再求出模，计算每个网格的信号强度。

可编程天线阵列，根据信号强度分布系统模型，进入到攻击/防御模式，对接收端的信号强度进行调节。参照图2，可编程天线阵列调节信号强度包括以下步骤：

步骤S2.1：控制端根据无线信道需求，判别进入攻击/防御模式；

步骤S2.2：控制端对天线阵列进行编程配置，通过天线阵列对目标点进行信号影响；

步骤S2.3：测量目标点的信号强度向控制端进行反馈，根据优化算法进行迭代，在有限步内取得最优解或近似最优解，达到攻击/防御效果。

针对步骤S2.1中判别进入攻击/防御模式的依据包括：

可编程天线阵列工作模式切换：根据目标点信号强度，进行攻击/防御模式的最优化建模与求解。攻击/防御模式的最优化建模与求解包括以下步骤：

步骤S3.1：建立数学模型，构造最优化问题：min/max|RSSI|,RSSI是接收端信号强度；

步骤S3.2：根据天线阵列对RSSI的影响程度，采用不同的优化策略；

步骤S3.3：根据无线信道状态选择迭代次数，实现优化。

在步骤S3.2中采用不同优化策略的依据包括：

天线阵列对RSSI的影响较大时，采用投票方式快速执行策略；

天线阵列对RSSI的影响较小时，采用黑盒优化方式执行策略。

在步骤S3.3中选择迭代次数的依据包括：

当信道状态较稳定时，可以选择较多迭代次数，逼近最优值，实现更好的优化效果。

一种基于反向散射波束成形的调节无线设备通信安全性系统可存储于自身信号调节PCB中，自身信号调节PCB的结构包括：

MCU：微控制单元，是整个系统的控制端；

天线走线：由MCU控制，对接收端的信号强度进行调节；

天线走线是由一系列PCB板线构成的阵列，底部连有电阻，具有类似于天线的效应，能够实现对接收端信号强度的调节。自身信号调节PCB调节信号强度的步骤包括：

步骤4.1：控制端根据无线信道需求，判别进入攻击/防御模式；

步骤4.2；控制端对天线阵列进行编程配置，通过天线阵列对目标点(通常为接收端)进行信号影响；

步骤4.3：测量目标点的信号强度向控制端进行反馈，根据优化算法进行迭代，在有限步内取得最优解或近似最优解，达到攻击/防御效果。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。