隐蔽通信系统中隐藏发射节点的方法

本发明属于隐蔽通信技术领域，尤其涉及一种隐蔽通信系统中隐藏发射节点的方法。

背景技术：

随着智能无线终端的飞速发展，近几年来无线网络的数据流量呈现指数级的增长。其中，大量机密和私人的信息将通过无线的方式进行传输,信息的安全传输得到日益广泛的关注。因为其广播特性,无线通信的传播没有明确的物理边界,这将导致通过无线方式传播的机密信息很容易受到外界的攻击和窃听。

为了保护机密信息被非授权用户检测到并被破译和窃听，有一种无线安全通信技术—隐蔽通信近几年来引起了学术界广泛的研究兴趣。隐蔽通信的目标是在两个用户(alice和bob)之间实现无线传输,同时保证该传输在监测者(willie)处的检测概率可以足够小。在隐蔽通信的场景中,willie的任务是检测alice和bob之间是否存在任何通信。因此,隐蔽通信的任务是隐藏无线通信的存在,从而减少监测者在无线网络中发现该通信行为的概率。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种隐蔽通信系统中隐藏发射节点的方法，利用全双工技术在无线衰落信道中实现隐蔽通信，通过控制全双工接收机处人工噪声的功率来故意扰乱监测者的接收功率从而满足隐蔽通信的有关约束条件。同时，在信道反转功率控制技术的协助下，发射机能够根据不同的信道质量改变发射信号的功率使得接收机处的信号功率为一恒定值从而能够在不知道信道状态信息的情况下能够对这些信号进行解码。本发明消除了接收机对于发射机信道状态反馈的需求，从而帮助发射机隐藏自身并同时不让监测者觉察它的存在。

本发明具体采用以下技术方案：

一种隐蔽通信系统中隐藏发射节点的方法，其特征在于：发射机设置有用于发送信息的天线；接收机设置有接受信息的天线和发射人工噪声的天线；所述接收机定期广播导频，使发射机能够估计从接收机到发射机的信道。

优选地，发射机发射信号的时候使用信道反转功率控制，发射机根据与接收机间的信道ha骠来改变其传输功率,使接收机的接收功率为一个固定值：

pa|hab|²＝q；

式中，pa为发射机的发射功率，hab为发射机到接收机的信道。

优选地，为pa设置截断值，使监测者处的检测性能维持在可控限度，所述监测者处的检测性能采用检测错误概率衡量，其公式如下：

其中，代表发射机传输隐蔽消息的概率，代表发射机不传输隐蔽消息的概率，α是误警率，β是漏警率。

优选地，采用截断信道反转功率控制方案，发射机只有在发射机到接收机的信道质量大于某个特定值时才传输隐蔽信息。

优选地，在所述截断信道反转功率控制方案中：

发射机的发射功率为：

其中，为发射机的最大功率限制；发射机只有当满足时才发射信号，把该必要条件表示为考虑瑞利衰落分布，|hab|²的累积分布函数为进而得到的概率为：

其中，λab表示发射机到接收机信道的平均值；

当真时，发射机会以概率ψ传递一个隐蔽消息，得到传输隐蔽消息的概率和不传输隐蔽消息的概率如下：

对此，采用有效传输速率作为从发射机到接收机通信的主要性能指标，该有效传输速率量化了从发射机向接收机可靠传输的信息速率，由下式给出：

其中，δ为发射机到接收机的传输中断概率，ψ是发射传递一个隐蔽消息的概率，发射机满足条件的概率，r为发射机到接收机的固定的传输速率；

此时，再分析监测者的检测性能，可得出误警率α、漏警率β如下式：

其中，vω1和vω2分别表示监测者处噪声值的大小的上下界限，τ：指检测门限值，ei：为指数积分函数，e：为e指数，ρω：是量化不确定性大小的参数，λaw表示发射机到接收机信道的平均值；为接收机的最大功率限制，hbw为接收机到监测者的信道，为信道噪声；

得出受隐蔽性约束的最大化的q的最优值为：

优选地，为了增强发射机和接收机之间的隐蔽传输性能，全双工接收机通过发射人工噪声，来增加监测者的接收功率的不确定性。但是全双工接收机产生的人工噪声也会引起自干扰从而导致隐蔽传输的中断。因此，可以采用博弈论中的stackelberg博弈或联盟博弈等算法，对隐蔽信息的发射功率和人工噪声功率进行优化，以达成隐蔽信息传输速率与干扰监测者之间的良好均衡。在此基础上，考虑隐蔽约束条件，获得最大的有效隐蔽速率。

与现有技术相比，本发明及其优选方案有以下有益效果：

1、本发明利用全双工技术，控制接收机处人工噪声的功率来故意扰乱监测者的接收功率，隐藏无线通信的存在，从而减少监测者在无线网络中发现该通信行为的概率，解决了传统隐蔽通信技术难以计算有效隐蔽传输速率问题。

2、本发明采用在信道反转功率控制技术的协助下，发射机能够根据不同的信道质量改变发射信号的功率使得接收机处的信号功率为一恒定值从而能够在不知道信道状态信息的情况下能够对这些信号进行解码。这样就消除了接收机对于发射机信道状态反馈的需求，从而帮助发射机隐藏自身并同时不让监测者觉察它的存在。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1为本发明实施例原理系统模型示意图；

图2为本发明实施例监测者的误警率α、漏警率β和总错误概率ξ关于门限τ的变化曲线示意图；

图3为本发明实施例在不同隐蔽性约束ε值下，最大的有效隐敝率随噪声不确定性参数ρ的变化曲线示意图。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1-图3所示，本实施例提供了一种隐蔽通信系统中关于发射节点隐藏的方法，具体包括以下方案：

根据在无线通信场景中，发射机(alice)想要隐蔽地传送信息给接收机(bob),同时alice在监测者(willie)处试图隐藏自己的存在。willie通过观察无线环境来检测潜在的传输。

在发射机和监测者装备了一根天线,接收机除了用于接收信号的一根天线(rx)外,还使用了一根额外的天线(tx)来发射人工噪声以混淆监测者的监听。

接收机定期广播导频(pilots)以便发射机能够估计从接收机到发射机的信道(即hba)。当发射机发射信号时，在接收机处接收到的信号为：

其中，xa为实际发射的信号，xr为原始信息信号。

进一步地，因为接收机传送的导频是公开的,监测者也可以估计接收机到监测者的信道。由于信道互易性,设发射机到接收机的hab与hba相同。发射机不发射任何导频,所以监测者不知道haw的值。为了去除接收机必须知道hab来进行解码的要求并避免发射机对接收机的反馈,在发射机发射信号的时候使用信道反转功率控制时，发射机会根据与接收机间的信道hab来改变其传输功率,使接收机的接收功率为一个固定值：

pa|hab|²＝q；

式中，pa为发射机的发射功率，hab为发射机到接收机的信道。

此时，接收机的信噪比为：

进一步地，当信道条件较差时，也就是hab的值较小时，意味着pa要设置的很大来获得接收机处固定的接收功率q，但是增大pa的值会增大监测者发现隐蔽传输的概率，所以要给pa设置一个合理的截断值。基于上述的参数，利用接收机处的用于解码隐蔽信息的信噪比来获得发射机到接收机的传输中断概率：

将其代入有界噪声不确定性模型中，可得到传输中断概率具体为：

进一步地，分析监测者的检测性能，推导监测者处检测错误概率以及最优检测门限。首先，监测者接收到的信号为：

假设传输时间足够长，即n→∞时，有：

而此时监测者检测器的决策准则为：

式中，τ是t的检测门限。

那么，监测者处的检测性能可以用检测错误概率来衡量，其公式如下：

其中，代表发射机传输隐蔽消息的概率，代表发射机不传输隐蔽消息的概率，α是误警率，β是漏警率。

进一步地，为了增强发射机和接收机之间的隐蔽传输性能，本实施例分析对比了截断信道反转功率控制方案和传统信道反转功率控制方案的不同特点。

首先，因为在实际的场景下pa不可能无穷大，故采用截断信道反转功率控制方案，发射机只能在发射机到接收机的信道质量大于某个特定值时才能传输隐蔽信息，因此，发射机的发射功率为：

其中，为发射机的最大功率限制。根据上式，可知道发射机只有当满足时才发射xa，把该必要条件表示为考虑瑞利衰落分布，|hab|²的累积分布函数为进而得到的概率为：

当为真时，发射机会以概率ψ传递一个隐蔽消息，得到传输隐蔽消息的概率和不传输隐蔽消息的概率如下：

对此，采用有效传输速率作为从发射机到接收机通信的主要性能指标，该有效传输速率量化了从发射机向接收机可靠传输的信息速率，由下式给出：

此时，再分析监测者的检测性能，可得出误警率α、漏警率β如下式：

可得出受隐蔽性约束的最大化的q的最优值为：

相比较而言，在传统信道反转功率控制方案中，发射机传输隐蔽消息的概率和不传输隐蔽消息的概率如下：

此时，有效传输速率变为rc＝r(1-δ)ψ，而对监测者的检测性能进行分析后，得到的误警率α、漏警率β如下式：

而受隐蔽性约束的最大化的q的最优值为：

s.t.(1-ξ^*)min{ψ，1-ψ}≤∈.。

对比两个方案，并对其数值进行分析可发现，在本实施例提供的截断信道反转功率控制方案中，消除了从发射机到接收机的信道状态信息在接收机接收机处可用于解码信息信号的要求，这提供了在所考虑的隐蔽通信中隐藏发射机发射机的机会，并且在接收机处的最大发射功率存在一个使有效隐蔽速率最大化的最优值，而在传统信道反转功率控制方案中，当接收机处的最大发射功率增加时，有效隐蔽速率单调递增并趋于上限。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的隐蔽通信系统中隐藏发射节点的方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。