CN114614941A - 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 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水下基于自保护干扰和协同干扰的联合物理层安全方法，该方法包括下列的步骤：设目的信号S的长度为△T，发送端A以最大发射功率P0发送RTS信号给接收端B和辅助干扰节点R；接收端B，获知时间延迟TAB和最小发射功率PAB；辅助干扰节点R，获知时间延迟TAR和最小发射功率PAR；接收端B和辅助干扰节点R分别告知发送端ATAB，PAB，TAR和PAR；发送端A以最大发射功率P0再次发送RTS信号给接收端B和辅助干扰节点R，开启网络的通信；接收端B估计目标信号S到达的时间，在目标信号S到达前，停止发送干扰信号I，接收目的信号S。

Description

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
技术领域
本发明涉及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。
背景技术
水下传感器网络通过声信号进行通信。由于声信号的开放性和水下传感器节点无人值守，水下传感器节点很容易被窃听和攻击。因此，为水下传感器网络设计一种高效的安全方案是非常必要的。传统的加密技术存在通信开销增加和计算复杂度高的问题，相比而言，物理层安全(PLS)，利用无线介质的缺陷(如衰落、干扰和噪声)来保证机密信息的安全，更适用于由能量和成本受限的设备建造的水下传感器网络。
物理层安全的概念最早是由Wyner从离散无记忆窃听信道中提出的，然后扩展到高斯窃听通道。在当前的物理层安全方法中，适用于水下传感器网络的两种有效手段是协同传输(CC)和协同干扰(CJ)。协同传输利用无线传播信道的随机性，通过中继节点的转发来提高合法信道的信道容量。协同干扰的目标是向窃听者发送干扰信号，来降低窃听信道的容量。协同传输和协同干扰都能够提高无线通信的保密能力。但是在中继节点被窃听的情况时，协同传输反而会增大窃听者获取网络信息的概率。相比而言，协同干扰方案能更有效地实现信息的安全传输。因此，本发明提出了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，在网络的信息传输过程中，通过接收端和辅助干扰节点向窃听者发送两种类型的干扰信号，有效地降低窃听者获知网络中信息的概率，来实现水下传感器网络的安全。
发明内容
为了解决上述提出的水下传感器网络通信信号易被窃听的问题，本发明提供了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。技术方案如下：
一种水下基于自保护干扰和协同干扰的联合物理层安全方法，该方法包括下列的步骤：
(1)设目的信号S的长度为△T，发送端A以最大发射功率P0发送RTS信号给接收端B和辅助干扰节点R；接收端B，通过分析接收到的RTS信号，获知接收者自身与发送端A的通信所需的时间延迟TAB和最小发射功率PAB；辅助干扰节点R，通过分析接收到的RTS信号，获知自身和发送端A的通信所需的时间延迟TAR和最小发射功率PAR；
(2)接收端B以最大发射功率P0发送CTS信号给发送端A，告知发送端A计算所得的时间延迟TAB和最小发射功率PAB；辅助干扰节点R以最大发射功率P0发送CTS信号给发送端A，告知发送端A计算所得的时间延迟TAR和最小发射功率PAR；
(3)发送端A以最大发射功率P0再次发送RTS信号给接收端B和辅助干扰节点R，开启网络的通信；
(4)接收端B，在接收到RTS信号后，以△T为发送周期，以其最小发射功率PAB持续发送同步干扰信号I，称之为虚假同步头信号；
(5)辅助干扰节点R，在接收到I后，以最小发射功率PAR、以△T为发送周期，持续发送信息干扰信号FK，称之为虚假信号；
(6)发送端A，在接收到I和FK后，以最小发射功率PAB发送目的信号S；
(7)通过所计算的时间延迟TAB，接收端B估计目标信号S到达的时间，在目标信号S到达前，停止发送干扰信号I，接收目的信号S。
本发明提出的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，通过接收端发射的干扰信号来阻碍窃听者找到目的信号的头部，以及辅助干扰节点发射另一种干扰信号来阻止窃听者获取目的信号中的内容，有效地降低窃听者获知网络中信息的概率，来实现水下传感器网络的安全。
附图说明
图1是发送端A，接收端B，窃听者E和辅助干扰节点R的网络图；
图2是发送端A，接收端B，窃听者E和辅助干扰节点R的网络图之间通信示意图。
具体实施方式
下面结合附图1，2对本发明进行说明。
首先对两个名词进行解释自保护干扰是：在发送端和接收端的传输过程中，接收端发射虚假同步头信号(同步干扰信号：I)，目的是实现窃听者对目的信号(S)头部的误判，从而影响窃听者获知目的信号的内容。协同干扰是：在发送端和接收端的传输过程中，辅助干扰节点发射虚假信号(信息干扰信号：FK)，目的是实现窃听者对于目的信号(S)内容的误判，从而阻止窃听者获取目的信号中的内容。通过以上两种方法的联合干扰，本发明可以有效地降低窃听者获知网络中信息的概率，来实现水下传感器网络的安全。
本发明提出的水声网络安全通信方法，首先，通过在自保护干扰中，让接收端B发送虚假同步头信号I，干扰窃听者E，使其无法准确找到目的信号S的头部。在无线通信中，接收端B需要通过对同步头的定位来找到整段信号。如果同步头的位置判断错误，后续对信号的处理过程便会收到影响，这会导致严重的误码甚至丢包情况的出现。在自干扰保护中，发送虚假同步头信号I的目的是实现E对信号S头部的误判，从而使得E无法获取信号S的内容。
然后，该物理层方法，通过在协同干扰中，让辅助干扰节点R发送虚假同步头信号FK，干扰窃听者E，使其无法准确判断目的信号S的内容。在无线通信中，接收端B会更容易判断功率较大的信号，然后将其作为自己需要的信息进行处理。如果在接收端，干扰信号的功率大于目的信号，则干扰信号更有可能被处理，这会导致严重的误码情况的出现。在协同保护中，发送虚假同步头信号FK的目的是实现E对信号S码元的误判，从而使得E无法获取信号S的内容。
设目的信号S的长度为△T，本发明包括下列的步骤：
(1)发送端A以最大发射功率P0发送RTS(Require To Send)信号给接收端B和辅助干扰节点R，进行网络的准备阶段。接收端B，通过分析接收到的RTS信号，可以获知接收者自身和发送端A的通信所需的时间延迟TAB和最小发射功率PAB。同理，辅助干扰节点R，通过分析接收到的RTS信号，也可以获知实现和发送端A的通信所需的时间延迟TAR和最小发射功率PAR。
(2)接收端B和辅助干扰节点R，分别以最大功率P0发送CTS(Clear To Send)信号给发送端A，告知发送端A计算所得的时间延迟TAB，TAR和最小发射功率PAB和PAR，网络的准备阶段结束；
(3)发送端A以功率P0再次发送RTS信号给接收端B和辅助干扰节点R，开启网络的通信；
(4)接收端B，在接收到RTS后，以功率PAB发送同步干扰信号：I，即虚假同步头信号，为了成功实现对未知窃听节点的干扰，接收端B会，以△T为发送周期，持续发送干扰信号I；
(5)辅助干扰节点R，在接收到I后，以功率PAR、周期△T，持续发送信息干扰信号：FK，即虚假信号；
(6)发送端A，在接收到I和FK后，以功率PAB发送目的信号S；
(7)通过初始化过程计算的时间延迟TAB，接收端B可以来估计信号S到达的时间，在信号S到达前，停止发送干扰信号I，接收目的信号S。
下面结合实施例给出本发明的具体操作流程：
(1)发送端A以最大功率P0发送RTS信号给接收端B和辅助干扰节点R，目的是告知接收端B和辅助干扰节点R做好干扰和接受的准备。网络通信前的准备阶段开始。接收端B和辅助干扰节点R在接收到RTS信号后，通过分析该信号的幅度和内容，来计算发送端之间实现通信所需的时间延迟TAB，TAR和最小发射功率PAB和PAR。时间延迟TAB计算方法如下：
TAB＝tB-tA
其中，tA是A发射RTS信号的时间，tB是B接收到RTS信号的时间。
最小发射功率PAB方法如下：
Figure BDA0003531832960000031
其中，SNRth是接收端B的最小接收功率，SNR0是此时B接收到的RTS信号的功率。
同理时间延迟TAR计算方法如下：
TAR＝tR-tA
其中，tA是A发射RTS信号的时间，tR是R接收到RTS信号的时间。
最小发射功率PAR方法如下：
Figure BDA0003531832960000032
其中，SNRth是接收端R的最小接收功率，SNR1是此时R接收到的RTS信号的功率。
(2)在B和R计算得到时间延迟TAB，TAR和最小发射功率PAB和PAR后，他们便会以最大功率P0发送CTS信号给A，告知A这些数据。网络通信前的准备阶段结束；
(3)发送端A以功率P0再次发送RTS信号给B和R，选择功率PAB作为发射功率的目的是1.降低更远处窃听者获取信息的概率；2.降低发射功率，从而降低网络的能量消耗。此时，网络的通信过程开始；
(4)接收端B，在接收到RTS信号后，以功率PAB、周期△T，持续发送干扰信号I。选择功率PAB作为发射功率的目的是，在保证A通信范围内的窃听者会被干扰的前提下，降低发射功率，从而降低网络的能量消耗。选择△T作为发射周期的目的是，保证任何时候在窃听者接收到目的信号S之前，它都会先接收到干扰信号I。这提高了窃听者被干扰的概率；
(5)辅助干扰节点R，在接收到I后，以功率PAR、周期△T，持续发送虚假同步头信号FK。选择功率PAR作为发射功率的目的是，在保证A和B通信不受影响的前提下，提高发射功率，从而扩大干扰范围，提高窃听者被干扰的概率。选择△T作为发射周期的目的是，保证窃听者任何时候在接收到目的信号S，它也会接收到虚假同步头信号FK。这提高了窃听者被干扰的概率；
(6)发送端A，在接收到I和FK后，以功率PAB发送目的信号S；
(7)通过时间延迟TAB，接收端B可以来估计S到达的时间，在S到达前，停止发送干扰信号I，接收目的信号S。为了防止干扰信号I干扰B的接收，需要在S到达之前，停止发送干扰信号I。

Claims (1)

1.一种水下基于自保护干扰和协同干扰的联合物理层安全方法，该方法包括下列的步骤：
(1)设目的信号S的长度为△T，发送端A以最大发射功率P0发送RTS信号给接收端B和辅助干扰节点R；接收端B，通过分析接收到的RTS信号，获知接收者自身与发送端A的通信所需的时间延迟TAB和最小发射功率PAB；辅助干扰节点R，通过分析接收到的RTS信号，获知自身和发送端A的通信所需的时间延迟TAR和最小发射功率PAR；
(2)接收端B以最大发射功率P0发送CTS信号给发送端A，告知发送端A计算所得的时间延迟TAB和最小发射功率PAB；辅助干扰节点R以最大发射功率P0发送CTS信号给发送端A，告知发送端A计算所得的时间延迟TAR和最小发射功率PAR；
(3)发送端A以最大发射功率P0再次发送RTS信号给接收端B和辅助干扰节点R，开启网络的通信；
(4)接收端B，在接收到RTS信号后，以△T为发送周期，以其最小发射功率PAB持续发送同步干扰信号I，称之为虚假同步头信号；
(5)辅助干扰节点R，在接收到I后，以最小发射功率PAR、以△T为发送周期，持续发送信息干扰信号FK，称之为虚假信号；
(6)发送端A，在接收到I和FK后，以最小发射功率PAB发送目的信号S；
(7)通过所计算的时间延迟TAB，接收端B估计目标信号S到达的时间，在目标信号S到达前，停止发送干扰信号I，接收目的信号S。
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