Bölümlere ayrılmış pilot iletim ve yapay gürültüye dayalı fiziksel katman güvenli iletim şeması
Zhuo Guofeng 1, Du Shengdong 2, Lin Shengbin 3
(1. Yazılım Okulu, Chengdu Mesleki ve Teknik Koleji, Chengdu 610041, Sichuan;
2. Bilgi Bilimi ve Teknolojisi Fakültesi, Güneybatı Jiaotong Üniversitesi, Chengdu 610031, Sichuan; 3. Chongqing İletişim Enstitüsü, Chongqing 400000)
Üç düğümlü bir MIMO dinleme ağında, kulak misafiri tarafından gönderilen kötü niyetli pilot müdahalesi için bölümlere ayrılmış pilot iletime ve yapay gürültüye dayalı bir fiziksel katman güvenlik iletim şeması önerilmektedir. İlk olarak, pilot iletim uzunluğu n segmente bölünür ve yasal alıcı, pilot sinyali göndermek için yalnızca m segmenti seçer. Gönderici, gizli dinleme kanalının yaklaşık bir tahminini elde etmek için alınan sinyalin n-m segmentini kullanır ve bunu, m segmenti kanal tahmininde gizli dinleme kanalı kısmını ortadan kaldırmak için kullanır. Daha sonra gönderici, bir ön kodlama matrisi tasarlar ve güvenli sinyal iletimi sağlamak için aynı anda sinyaller ve yapay gürültü gönderir. Simülasyon, girişim gücü 100 mW olduğunda, önerilen şema altındaki güvenli hızın ortalama olarak 1,34 bit / sn / Hz arttığını göstermektedir.
Çin Kütüphanesi Sınıflandırma Numarası: TP218
Belge tanımlama kodu: Bir
DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.2017.01.034
Çince alıntı biçimi: Zhuo Guofeng, Du Shengdong, Lin Shengbin. Segmentli pilot iletim ve yapay gürültüye dayalı fiziksel katman güvenli iletim şeması.Elektronik teknoloji uygulaması, 2017,
43 (1): 129-132.
İngilizce alıntı biçimi: Zhuo Guofeng, Du Shengdong, Lin Shengbin.Parçalanmış pilot iletim ve yapay gürültüye dayalı bir fiziksel katman güvenlik iletim şeması.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2017, 43 (1): 129-132.
0 Önsöz
Yayın iletiminin özellikleri nedeniyle, kablosuz iletişim ağları gizli dinlemeye, parazitlere ve hatta saldırılara karşı hassastır ve bu da bir dizi güvenlik sorununa neden olur. Bu güvenlik tehditlerine yanıt olarak, son yıllarda önerilen fiziksel katman güvenlik yöntemleri, kablosuz kanalların doğası ve özelliklerinden yola çıkarak, yalnızca yasal kullanıcıların iletişim kalitesini sağlamakla kalmayan etkili kablosuz sinyal güvenliği iletim yöntemlerini incelemek için kodlama, modülasyon ve diğer iletişim iletim yöntemlerini kullanır. Ayrıca, kulak misafiri olanların sinyali yakalayıp bilgileri geri yüklemesinin zorluğunu da artırır.
Geleneksel üç düğümlü gizli dinleme senaryosunu hedefleyen yapay gürültü, etkili bir fiziksel katman güvenlik yöntemidir.Göndericinin kanal tahmini yoluyla CSI elde etmesini gerektirir, yani veri sinyali iletiminden önce yasal alıcı pilot sinyali gönderir ve gönderen Pilot sinyal, kanal tahminini gerçekleştirir. Bununla birlikte, bir kulak misafiri ağında, birçok kez iletilen pilot, muhtemelen kulak misafiri olan kişi tarafından elde edilir. Yasal alıcı bir pilot sinyal gönderdiğinde, yalnızca kulak misafiri olan veya gürültü paraziti gönderen geleneksel kulak misafiri olanlardan farklıdır ve kulak misafiri de bir pilot sinyal iletir. , Gönderenin kanal tahminine müdahale edin. Pilot girişim olarak adlandırılan bu güvenlik problemine yanıt olarak, literatür, hücreler arasında ortak kanal pilot müdahalesi olduğunda kanal tahmin sonuçlarını türetmekte ve aynı zamanda hücre işbirliğine dayalı bir optimizasyon şeması vermektedir, ancak, kulak misafiri olan kişi, kulak misafiri olma performansını geliştirmek istememektedir. Gönderenle işbirliği yapabilir, bu nedenle bu şema, gizli dinleme senaryolarında aktif pilot müdahalesi için uygun değildir.
Bu soruna yanıt olarak, bu makale bölümlere ayrılmış pilot iletim ve yapay gürültüye dayalı fiziksel katmanlı bir güvenli iletim şeması önermektedir. İlk olarak, pilot iletim uzunluğu eşit olarak n segmente bölünür ve yasal alıcı her seferinde pilot sinyalleri göndermek için m segmenti seçer ve kalan n-m segmentler pilot sinyalleri göndermez. Pilot müdahalesi elde etmek için, gizli dinleme yapan taraf her zaman pilot iletim aşaması sırasında pilot sinyaller gönderir, ardından gönderici, gizli dinleme kanalının yaklaşık bir tahminini elde etmek için nm segmentli pilot sinyalini kullanır ve bunu, m segmenti pilot sinyaline dayalı kanal tahmin sonuçlarını ortadan kaldırmak için kullanır. Gizli dinleme kanalı parçası, böylece pilot müdahalesinin etkisini azaltır. Son olarak, gönderici, edinilen CSI'ya göre makul bir ön kodlama matrisi tasarlar ve aynı anda sinyalleri ve yapay gürültüyü gönderir, bu da sistemin güvenlik performansını artırır. Teorik analiz ve sayısal simülasyon, önerilen şema altındaki güvenlik oranının büyük ölçüde iyileştirildiğini göstermektedir.
1 Sistem modeli ve problem sunumu
Üç düğümlü çok antenli kompleks Gauss ağında, anten sayısı Şekil 1'de gösterildiği gibi NA, NB ve NE'dir.
Kanal tahmin aşamasında pilot sinyal şu şekilde ifade edilebilir:
Gönderici ve yasal alıcı arasındaki kanal tahmin sonucunun, esas olarak ana kanal HBA ve gizli dinleme kanalı HEA'nın doğrusal eklenmesi olduğu ve ağırlık katsayısının iletim gücü ile pozitif korelasyon gösterdiği görülebilir. Tahmin sonucundaki gizli dinleme kanalının HEA kısmı, tasarlanan ön kodlama matrisini kulak misafiri olanlar için faydalı kılar ve sistemin güvenlik performansı ciddi şekilde tehdit edilir. Bu güvenlik konusunu hedefleyen bu makale, pilot müdahalesi tehdidini azaltmak ve iletişim sisteminin güvenliğini sağlamak için etkili bir fiziksel katman güvenlik aktarım şemasını incelemektedir.
2 Bölümlere ayrılmış pilot iletim ve yapay gürültüye dayalı güvenli bir iletim şeması
2.1 n-m segmentli pilot sinyalin kanal tahmini
Şekil 2'de gösterildiği gibi, pilot iletim uzunluğu Tp ilk olarak eşit olarak n segmente bölünür ve her segmentin uzunluğu T = Ti = Tp / n, i = 1, ..., n'dir. Kanal tahmin aşamasında, yasal alıcı pilot sinyalleri göndermek için m segmenti seçer ve kalan n-m segmentler pilot sinyalleri göndermez. Meşru kullanıcının her seferinde seçilen m segmenti pilot iletim bilgisini paylaştığını varsayarsak, gizli dinleme yapan taraf bilgiyi elde edemez. Bu nedenle, pilot müdahalesi elde etmek için, kulak misafiri olan kişi kanal tahmin aşamasında her zaman pilot sinyaller gönderecektir. Gönderenin n-m segmenti alınan sinyali şu şekilde ifade edilebilir:
Gönderen, kulak misafiri tarafından ulaşılan gücü bilmediğinden, ancak yalnızca alınan sinyalin toplam gücünü bildiğinden, kanal tahmini için LS kriterini kullanarak şunları elde edebilir:
2.2 m segmentli pilot sinyalin kanal tahmini
M-segment pilot iletim aralığında, yasal alıcı pilot iletim gücünü artırır ve gizli dinleme yapan taraf yine de pilot müdahalesi gönderir.Gönderici ikinci kanal tahminini gerçekleştirir ve aşağıdakileri elde etmek kolaydır:
İki kanal kestirimi ile ilk aşamada gizli dinleme kanalı kestirim sonucu elde edilir ve bu sonuca göre ikinci kanal kestirim sonucundaki gizli dinleme kanalı kısmı ortadan kaldırılır Kanal kestiriminin karmaşıklığı artmasına rağmen, gizli dinleme kanal kılavuzu büyük ölçüde azaltılır. Frekans girişiminin etkisi. İki kanal tahmin işleminde sistem gürültüsünün karışması nedeniyle, nihai kanal tahmin sonuçlarında hala büyük hatalar bulunmaktadır.
2.3 Yapay gürültüye dayalı veri iletim aşaması
Gönderici, kanal tahmini yoluyla yasal düğümler arasındaki CSI'yı elde eder, CSI'ya dayalı bir ön kodlama matrisi tasarlar ve daha sonra eşzamanlı olarak önceden kodlanmış sinyali ve yapay gürültüyü veri iletimi aşamasında gönderir. xA, ön kodlamadan sonraki sinyal ve gürültüdür, şu şekilde ifade edilebilir:
Gizli dinleme yapan taraf yalnızca gizli dinleme yaptığında, yasal alıcı ve gizli dinleme tarafı tarafından alınan sinyaller şunlardır:
Bölümlere ayrılmış pilot iletime dayalı olarak elde edilen kanal tahmini, pilot girişiminin etkisini azaltır ve bu temeldeki yapay gürültü, gizli dinleme performansını daha iyi azaltabilir ve sistem güvenlik performansını iyileştirebilir. Bu makalede önerilen çözüm aşağıdaki adımlar olarak özetlenmiştir:
(1) Yasal alıcı, pilot iletimi Tp'yi n segmente böler, pilot sinyali normal olarak göndermek için m segmentini seçer ve kalan n-m segmentlerini göndermez.
(2) Gönderici, yaklaşık bir gizli dinleme kanalı tahmini elde etmek için alınan sinyalin n-m segmentini kullanır ve sonucu, m segmenti kanal tahmininde gizli dinleme kanalı kısmını ortadan kaldırmak için kullanır.
(3) Gönderici, elde edilen kanal durum bilgisine göre bir ön kodlama matrisi tasarlar ve sinyal ve yapay gürültüyü xA aynı anda gönderir, bu da sinyalin güvenliğini sağlar.
2.4 Program performans analizi
Bu bölüm, önerilen planın etkinliğini kanıtlamak için güvenli oran göstergesini kullanır.
Bunlar arasında KB ve KE, yasal alıcının ve kulak misafiri olanın girişim gürültüsü kovaryans matrisidir ve şu şekilde ifade edilebilir:
3 Sayısal simülasyon ve emniyet performansı analizi
Daha sonra, önerilen şemanın emniyet performansını analiz etmek için sayısal simülasyon kullanılır. Bu simülasyonda, 1 km × 1 km'lik bir alanda, göndericinin ve yasal alıcının konum koordinatları (-250 m, 0) ve (250 m, 0) ve gizli dinleyicinin konumu (0,400 m) , Referans mesafesi d0 = 1 m, yol zayıflatma sabiti = 2, = 1. Anten sayısı ve düğümün gücü NA = 7, NB = NE = 4, PB = PE = 100 mW ve gürültü gücü -40 dBm olsun.
Şekil 3, yarı çift yönlü bir dinleyici olduğunda yasal alıcının gücü ile sistem güvenlik oranının değişimini analiz etmektedir. Gönderen kanal durum bilgisini bildiğinde, yapay gürültü en iyi performansı elde eder. Gizli dinleme yapan taraf pilot paraziti gönderdiğinde, kanal tahmin sonucu, ana kanalın ve gizli dinleme kanalının doğrusal üst üste binmesidir.Yasal alıcının iletim gücündeki artış, kanal kestiriminde ana kanalın ağırlık katsayısını arttırır, bu nedenle pilot paraziti altındaki güvenlik performansı değişir. İletim gücündeki artış artar. Bu yazıda önerilen çözüm, ikinci kanal tahminini birinci kanal kestiriminin sonucu ile telafi eder, böylece elde edilen kanal kestirimi, gizli dinlemenin kanal üzerindeki etkisini ortadan kaldırır ve sistem güvenlik performansını iyileştirir. Şekil 3'ten görülebileceği gibi, önerilen şema altındaki güvenli hız, ortalama olarak 1.34 bit / s / Hz'dir, ancak her iki kanal tahmini de nihai tahmin sonucunu oluşturan sistem gürültüsünden etkilenir ve ana kanal Bu nedenle, bu çözümle elde edilen performans, bilinen CSI senaryosundaki performanstan daha kötüdür.
Şekil 4, sistem gürültüsünün önerilen planın performansı üzerindeki etkisini incelemektedir. Gürültü gücü -70 dBm'den -10 dBm'ye değiştiğinde, güvenli oran azalır -20 dBm'ye ulaştığında, güvenli oran neredeyse sıfırdır.Bunun nedeni, aşırı sert sistem gürültüsü ortamında normal iletişimin gerçekleştirilememesidir. Gürültü gücünün artmasıyla birlikte, önerilen şemanın emniyetli oranı ile bilinen CSI arasındaki fark önce artmakta sonra azalmaktadır Bunun nedeni gürültü gücü değerinin -70 dBm'den -40 dBm'ye kadar olan gürültü aralığında küçük olmasıdır. Daha düşük gürültü gücü nedeniyle hata daha küçüktür ve elde edilen güvenlik performansı daha iyidir. Normal iletişimi kesintiye uğratmak için gürültü gücü arttığında, tüm şemaların performansı keskin bir şekilde bozulur.
4. Sonuç
Üç düğümlü bir MIMO kulak misafiri ağında, kulak misafiri olan kişi kanal tahmini aşamasında kötü niyetli pilot müdahalesi gönderdiğinde, sistemin güvenlik performansı ciddi şekilde tehdit altındadır. Bu güvenlik problemine yanıt olarak, bu makale bölümlere ayrılmış pilot iletim ve yapay gürültüye dayalı fiziksel bir katman güvenlik iletim şeması önermektedir.İlk olarak, pilot iletim uzunluğu n bölüme bölünmüştür ve yasal alıcı, her seferinde pilotu göndermek için m segmenti seçmektedir. Sinyal, kalan nm segmenti pilot sinyal göndermiyor. Gönderici, gizli dinleme kanalının yaklaşık bir tahminini elde etmek için alınan sinyalin karşılık gelen n-m segmentini kullanır ve bunu, m segmenti pilot sinyaline dayalı olarak kanal tahmin sonucunun gizli dinleme kanalı kısmını ortadan kaldırmak için kullanır, böylece doğru bir kanal tahmin sonucu elde eder. Daha sonra gönderen, ön kodlama matrisini tasarlar ve sinyalin güvenli iletimini gerçekleştirmek için sinyal ve yapay gürültüyü aynı anda gönderir. Son olarak, önerilen planın güvenliği teorik analizle kanıtlanmıştır. Sayısal simülasyon, girişim gücü 100 mW olduğunda, bu makalede önerilen şema altındaki güvenli hızın ortalama olarak 1.34 bit / s / Hz arttığını göstermektedir.
Referanslar
WYNER A D. Tel çekme kanalı Bell System Technical Journal, 1975, 54 (8): 1355-1387.
LIN P H, LAI S H. Telefon dinleme kanalları için genelleştirilmiş yapay gürültü destekli güvenli hüzmelemenin gizlilik oranı hakkında IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2013, 31 (9): 1728-1740.
Li Hao, Wang Xianbin.OFDM sistemlerinde gizli dinleme önleme için dinamik alt taşıyıcı koordinat serpiştirme IEEE Communications Letters, 2014, 18 (6): 1059-1062.
PAIK H, SASTRY N N.Genlik karşılaştırmalı monopulse radar alıcılarında beyaz Gauss gürültüsü ve faz gürültüsü ile gürültü sıkışmasının etkinliği IEEE Uluslararası Elektronik, Hesaplama ve İletişim Teknolojileri Konferansı, 2014: 1-5.
YÜKSEL M, ERKIP E.Çok hücreli çok kullanıcılı MIMO OFDM kanal tahmin sistemlerinin analizi ve tasarımı Araç Teknolojisi IEEE İşlemleri, 2014, 13 (20): 1-11.
KAY S M. İstatistiksel sinyal işlemenin temelleri: Tahmin teorisi, Prentice Hall, 1993.
MUKHERJEE A, SWINDLEHURST A L. Aktif bir dinleyiciyle MIMO telefon dinleme kanalında oyunların karıştırılması IEEE İşlemleri Sinyal İşleme, 2013, 61 (1): 82-91.
YAN SH, GERACI G, YANG N, vd. SISOME telefon dinleme kanalları için hedef gizlilik oranı hakkında. 2014 IEEE Uluslararası İletişim Konferansı (ICC) Bildirileri, 2014.
GOEL S, NEGI R. Yapay gürültü kullanarak gizliliğin garanti edilmesi Kablosuz İletişim üzerine IEEE İşlemleri, 2008, 7 (6): 2180-2189.
