基于自适应隐蔽性协议的物理层认证方法及系统与流程
本公开涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于自适应隐蔽性协议的物理层认证方法及系统。
背景技术
随着无线设备的快速普及，对发射器认证的需求也急剧增长，物理层认证与基于上层密码工具的传统认证技术相比具有两个主要优势：首先，物理层认证通过允许非法接收方仅对其进行噪声观察来保护标签，从信息论的角度来看是相对安全的。其次，物理层认证使得合法的接收方能够快速的区分合法发射段和非法发射段，无需完成更高层处理。物理层设计的认证方案通常可以分为被动形式和主动形式两大类。
本文重点研究主动式，在发射端的消息信号中嵌入认证信号，然后在接收段处提取认证信号。常见的现有技术有：(1)使用时分多路复用方法将认证信号附加到数据上，但这需要额外的传输时间，并且容易将认证信号暴露给非法接收端，因为认证信号具有与消息信号相同的信噪比(snr)；(2)对于ofdm系统，通过根据认证信号在子载波上重复某些消息符号来产生环路平稳签名，这浪费了消息吞吐量；(3)频率偏移根据认证信号进行修改，然而，每秒传输的认证信号的比率相对较低；(4)对于预编码的双二进制信令系统，根据认证信号修改某些初始位，这种方案使得未知的接收段恢复消息信号具有挑战性，违背了隐蔽性的要求。
当前使用最广泛的认证技术是认证叠加(auth-sup)技术，认证叠加技术能够通过软件无线电平台提供和分析实验结果。通过分析，认证叠加技术可以在一定程度上克服上述四种现有技术的缺点，满足有效认证技术的要求。
然而，有效的物理层认证技术通常需要同时考虑安全性，鲁棒性和隐蔽性。具体而言，安全性通常是指非法接收端不能通过各种攻击(包括干扰攻击，重放攻击和模拟攻击)轻易地破坏身份认证；鲁棒性通常是指在随机衰落环境中存在传输，认证方案能够抵抗信道衰落和噪声影响；隐蔽性通常是指接收段在不知道认证方案的情况下，不能够检测到认证信号是异常的。尽管现有的技术已经提出了一个通用的物理层认证框架来综合评估安全性和鲁棒性，但是在隐蔽性方面，由于其多样性和复杂性，现有技术对隐性水平缺乏量化分析，还有很多改善的余地。
技术实现要素：
本公开是有鉴于上述的状况而提出的，其目的在于提供一种能够更好评估请求延迟和隐蔽性能的基于自适应隐蔽性协议的物理层认证方法及系统。
为此，本公开的第一方面提供了一种基于自适应隐蔽性协议的物理层认证方法，是包含发射端和接收端的无线通信系统的物理层认证方法，其特征在于，包括：所述发射端基于自适应隐蔽性协议向无线信道发射标记信号，所述标记信号包括认证信号和信息信号，在所述自适应隐蔽性协议中，所述接收端向所述发射端反馈瞬时信噪比，根据所述接收端的瞬时信噪比自适应地设置所述信息信号的能量分配因子；所述接收端接收所述标记信号，基于所述自适应隐蔽性协议，对所述标记信号进行处理并向所述发射端反馈瞬时信噪比，获得保密认证概率；基于接收的所述信息信号的信干噪比获得认证请求传输概率和隐蔽认证拒绝概率；并且基于所述保密认证概率、所述认证请求传输概率和所述隐蔽认证拒绝概率计算出保密认证效率，以确定物理层认证的隐蔽等级，对所述能量分配因子进行优化，并且基于优化后的所述能量分配因子获取所述保密认证效率的最大值。
在本公开中，所述发射端基于自适应隐蔽性协议发射标记信号，所述接收端接收所述标记信号，基于自适应隐蔽性协议经过处理获得保密认证效率(secrecyauthenticationefficiency，sae)。其中，所述自适应隐蔽性协议规定所述接收端向所述发射端反馈瞬时信噪比，根据所述接收端的瞬时信噪比自适应地设置所述信息信号的能量分配因子。在这种情况下，基于自适应隐蔽性协议和用于物理层认证的衡量指标——保密认证效率(sae)，能够更好评估隐蔽等级。
在本公开第一方面所涉及的物理层认证方法中，所述瞬时信噪比满足
在本公开第一方面所涉及的物理层认证方法中，所述接收端的瞬时信噪比自适应地设置所述信息信号的能量分配因子的方法是指设置信息信号的能量分配因子
在本公开第一方面所涉及的物理层认证方法中，所述信息信号的能量分配因子的优化值满足(ⅰ)：
在本公开第一方面所涉及的物理层认证方法中，所述接收端的瞬时信道状态信息已知。在这种情况下，基于自适应隐蔽性协议可以更好评估隐蔽性能。
在本公开第一方面所涉及的物理层认证方法中，所述保密认证效率由下式(ⅱ)计算得到：η＝part(1-pacr)psa(ⅱ)，其中，part表示所述认证请求传输概率，pacr表示所述隐蔽认证拒绝概率，psa表示所述保密认证概率。由此，能够确定物理层认证的隐蔽等级。
在本公开第一方面所涉及的物理层认证方法中，所述信息信号的信干噪比由下式(ⅲ)计算得到：
本公开的第二方面提供了一种基于自适应隐蔽性协议的物理层认证设备，其特征在于，包括：处理器，其执行所述存储器存储的计算机程序以实现上述任一项所述的物理层认证方法；以及存储器。
本公开的第三方面提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有至少一个指令，所述至少一个指令被处理器执行时实现上述任一项所述的物理层认证方法。
本公开的第四方面提供了一种基于自适应隐蔽性协议的物理层认证系统，其特征在于，包括：发射装置，所述发射装置基于自适应隐蔽性协议向无线信道发射标记信号，所述标记信号包括认证信号和信息信号，在所述自适应隐蔽性协议中，所述接收端装置向所述发射装置反馈瞬时信噪比，根据所述接收端的瞬时信噪比自适应地设置所述信息信号的能量分配因子；接收装置，其包括：处理模块，其接收所述标记信号，基于所述自适应隐蔽性协议，对所述标记信号进行处理并向所述发射装置反馈瞬时信噪比，获得保密认证概率；计算模块，其基于接收的所述信息信号的信干噪比获得认证请求传输概率和隐蔽认证拒绝概率；以及判定模块，其根据所述保密认证概率、所述认证请求传输概率和所述隐蔽认证拒绝的概率计算出保密认证效率，以确定物理层认证的隐蔽等级，对所述能量分配因子进行优化，并且基于优化后的所述能量分配因子获取所述保密认证效率的最大值。
在本公开中，所述发射装置基于自适应隐蔽性协议发射标记信号，所述接收装置接收所述标记信号，基于自适应隐蔽性协议经过处理获得保密认证效率(sae)。其中，所述自适应隐蔽性协议规定根据所述接收端的瞬时信噪比自适应地设置所述信息信号的能量分配因子。在这种情况下，基于自适应隐蔽性协议和用于物理层认证的衡量指标——保密认证效率(sae)，能够更好评估隐蔽等级。
在本公开第四方面所涉及的物理层认证系统中，所述瞬时信噪比满足
在本公开第四方面所涉及的物理层认证系统中，所述接收端的瞬时信噪比自适应地设置所述信息信号的能量分配因子的方法是指设置信息信号的能量分配因子
在本公开第四方面所涉及的物理层认证系统中，所述信息信号的能量分配因子的优化值满足(ⅰ)：
在本公开第四方面所涉及的物理层认证系统中，所述接收端的瞬时信道状态信息已知。在这种情况下，基于自适应隐蔽性协议可以更好评估隐蔽性能。
在本公开第四方面所涉及的物理层认证系统中，在所述判定模块中，所述保密认证效率由下式(ⅱ)计算得到：η＝part(1-pacr)psa(ⅱ)，其中，part表示所述认证请求传输概率，pacr表示所述隐蔽认证拒绝概率，psa表示所述保密认证概率。由此，能够确定物理层认证的隐蔽等级。
在本公开第四方面所涉及的物理层认证系统中，在所述计算模块中，所述信息信号的信干噪比由下式(ⅲ)计算得到：
与现有技术相比，本公开的示例具备以下有益效果：
在现有的技术中，由于系统的多样性和复杂性，缺乏对隐蔽水平的定量分析，因此，本公开设计了一种自适应隐蔽性协议并提出了一种新的用于物理层认证的衡量指标——保密认证效率(sae)，能够更好评估物理层认证的隐蔽性能。
附图说明
图1是示出了本公开的示例所涉及的物理层认证方法的信号认证示意图。
图2是示出了本公开的示例所涉及的物理层认证方法流程示意图。
图3是示出了本公开的示例所涉及的物理层认证方法发射端发射信号的结构示意图。
图4是示出了本公开的示例所涉及的物理层认证方法的接收端保密认证效率波形示意图。
图5是示出了本公开的示例所涉及的物理层认证方法的非法接收端保密认证效率波形示意图。
图6是示出了本公开的示例所涉及的物理层认证系统结构示意图。
图7是示出了本公开的示例所涉及的物理层认证系统接收装置信号处理模块示意图。
图8是示出了本公开的示例所涉及的物理层认证设备的结构示意图。
具体实施方式
以下，参考附图，详细地说明本公开的优选实施方式。在下面的说明中，对于相同的部件赋予相同的符号，省略重复的说明。另外，附图只是示意性的图，部件相互之间的尺寸的比例或者部件的形状等可以与实际的不同。
需要说明的是，本公开的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
另外，在本公开的下面描述中涉及的小标题等并不是为了限制本公开的内容或范围，其仅仅是作为阅读的提示作用。这样的小标题既不能理解为用于分割文章的内容，也不应将小标题下的内容仅仅限制在小标题的范围内。
本公开提供了基于自适应隐蔽性协议的物理层认证方法、设备和系统。在本公开中，能够更加准确地评估物理层认证的请求延迟和隐蔽性能。以下结合附图进行详细描述本公开。
图1是示出了本公开的示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，基于自适应隐蔽性协议的物理层认证方法、设备和系统可以是具有发射端和接收端的无线通信系统的物理层认证方法、设备和系统。其中，接收端可以包括合法接收端和非法接收端。
如图1所示，发射端用于向无线信道发射信号。发射端通常是合法发送方。发射端也可以包括非法发送方。下文提及的发射端均是指合法发送方。接收端接收发射端发射的信号。由于接收端可以包括合法接收端和非法接收端，故发射端发射的信号既可以被合法接收端接收，也可能被非法接收端接收。
在一些示例中，接收端可以是测试接收端。测试接收端通常是指用于检测发射端的发射信号的接收端。例如，测试接收端可以是在模拟日常生活中的无线信道的场景下，用于检测发射端发射信号的测试设备。其中，测试接收端可以包括合法接收端和非法接收端。
在一些示例中，发射端可以是两个或两个以上，接收端可以是两个或两个以上。具体而言，合法接收端可以是两个或两个以上，非法接收端也可以分别是两个或两个以上。
在一些示例中，如图1所示，在非法接收端存在的情况下，发射端发送认证请求，合法接收端向发射端反馈信噪比阈值。
在一些示例中，上述如图1的信号模型中的发射端可以包括基站或用户设备。基站(例如接入点)可以是指接入网中在空中接口上通过一个或多个扇区与无线终端通信的设备。基站可用于将收到的空中帧与ip分组进行相互转换，作为无线终端与接入网的其余部分之间的路由器，其中，接入网的其余部分可包括网际协议(ip)网络。基站还可以协调对空中接口的属性管理。例如，基站可以是gsm或cdma中的基站(bts，basetransceiverstation)，也可以是wcdma中的基站(nodeb)，还可以是lte中的演进型基站(nodeb或enb或e-nodeb，evolutionalnodeb)。
在一些示例中，用户设备可以包括但不限于智能手机、笔记本电脑、个人计算机(personalcomputer，pc)、个人数字助理(personaldigitalassistant，pda)、移动互联网设备(mobileinternetdevice，mid)、穿戴设备(如智能手表、智能手环、智能眼镜)等各类电子设备，其中，该用户设备的操作系统可包括但不限于android操作系统、ios操作系统、symbian(塞班)操作系统、blackberry(黑莓)操作系统、windowsphone8操作系统等。
在一些示例中，接收端可以包括基站。基站(例如接入点)可以是指接入网中在空中接口上通过一个或多个扇区与无线终端通信的设备。基站可用于将收到的空中帧与ip分组进行相互转换，作为无线终端与接入网的其余部分之间的路由器，其中，接入网的其余部分可包括网际协议(ip)网络。基站还可以协调对空中接口的属性管理。例如，基站可以是gsm或cdma中的基站(bts，basetransceiverstation)，也可以是wcdma中的基站(nodeb)，还可以是lte中的演进型基站(nodeb或enb或e-nodeb，evolutionalnodeb)。
在另一些示例中，接收端还可以包括用户设备或测试设备。用户设备或测试设备可以包括但不限于智能手机、笔记本电脑、个人计算机(personalcomputer，pc)、个人数字助理(personaldigitalassistant，pda)、移动互联网设备(mobileinternetdevice，mid)、穿戴设备(如智能手表、智能手环、智能眼镜)等各类电子设备，其中，该用户设备或测试设备的操作系统可包括但不限于android操作系统、ios操作系统、symbian(塞班)操作系统、blackberry(黑莓)操作系统、windowsphone8操作系统等。
图2是示出了本公开的示例所涉及的物理层认证方法流程示意图。
图3是示出了本公开的示例所涉及的物理层认证方法发射端发射信号的结构示意图。
在一些示例中，基于自适应隐蔽性协议的物理层认证方法(有时简称“物理层认证方法”)，是具有发射端和接收端的无线通信系统的物理层认证方法。其中，接收端可以包括合法接收端和非法接收端。另外，在下面的描述中，非法接收端有时也称为监听端。
另外，基于图1所示的信号模型，如图2所示，基于自适应隐蔽性协议的物理层认证方法包括发射端基于自适应隐蔽性协议向无线信道发射标记信号，标记信号包括认证信号和信息信号，在自适应隐蔽性协议中，接收端向发射端反馈瞬时信噪比，根据接收端的瞬时信噪比自适应地设置信息信号的能量分配因子(步骤s110)。
在步骤s110中，物理层认证方法的信道假设条件可以是发射端知道接收端的瞬时信道状态信息。也即接收端的瞬时信道状态信息已知。具体而言，如上所述，接收端可以包括合法接收端和非法接收端。在一般通信过程中，非法接收端不向发射端反馈信道状态信息，而合法接收端向发射端反馈信道状态信息。即发射端有可能不知道任何关于非法接收端的信道状态信息，而发射端有可能知道合法接收端的瞬时信道状态信息。但是，在上述物理层认证方法的信道假设条件下，即在非法接收端的信道状态信息未知和合法发射端知道接收端的瞬时信道状态信息的情况下，也能够通过本公开的物理层认证方法，更好评估物理层认证的隐蔽性能。
在一些示例中，信道状态信息(channelstateinformation，csi)可以是通信链路的信道属性。例如，信道状态信息可以是信号散射、环境衰弱、距离衰减等信息。
在一些示例中，基于上述信号模型，发射端可以向无线信道发射标记信号。也即发射端可以发送认证请求。如图3所示，标记信号可以包括认证信号和信息信号。认证信号可以反应发射端和合法接收端之间共享的密钥知识。信息信号可以反映所要传递的信息。认证信号可以叠加在信息信号上。标记信号可以是成块发射的。标记信号可以由下式(1)计算得到：
xi＝ρssi+ρtti(1)
其中，xi表示第i块标记信号，si表示第i块信息信号，ti表示第i块认证信号。另外，
本实施方式不限于此，发射端可以向无线信道发射常规信号。常规信号中不包括认证信号。也即认证信号的能量分配因子
在一些示例中，物理层认证方法遵从的协议可以是自适应隐蔽性协议。另外，在上述的信道假设条件下，自适应特协议对于本公开的物理层优化隐蔽性分析方法有效。自适应隐蔽性协议规定了接收端向发射端反馈瞬时信噪比(后续进行详细说明)，根据接收端的瞬时信噪比自适应地设置信息信号的能量分配因子。即发射端向无线信道发射标记信号时，标记信号中的信息信号的能量分配因子随接收端的瞬时信噪比自适应地设置。换而言之，自适应隐蔽性协议通过能量分配因子
在步骤s110中，发射端基于自适应隐蔽性协议向无线信道发射标记信号。也即标记信号被发射端发射进入无线信道。其中，无线信道存在信道增益h。故经过无线信道传输的标记信号可以包括信道增益h。
在一些示例中，物理层认证方法还可以包括接收端接收标记信号，基于自适应隐蔽性协议，对标记信号进行相关处理并向发射端反馈瞬时信噪比，获得保密认证概率(步骤s120)。
在步骤s120中，由于步骤s110中的标记信号是分块发射的，故标记信号可以被接收端分块接收。由于接收端可以包括合法接收端和非法接收端，故在无线通信系统中接收信号的可以包括合法接收端和非法接收端。其中，合法接收端接收的经过无线信道的标记信号可以由下式(2)计算得到：
yb,i＝hb,ixi+nb,i(2)
其中，hb,i表示合法接收端接收的第i块标记信号的信道增益。nb,i表示合法接收端的噪声。另外，hb,i服从0均值方差为
在一些示例中，由于标记信号可以被接收端(包括合法接收端和非法接收端)分块接收，其中，合法接收端测得的每块标记信号的信道信噪比分别可以由下式(3)计算得到：
其中，
另外，在一些示例中，非法接收端接收的经过无线信道的标记信号、非法接收端测得的每块标记信号的信道信噪比以及非法接收端测得的标记信号的平均信噪比可以类比合法接收端的上述计算方式。
在一些示例中，接收端可以进行信道估计，也即合法接收端和非法接收端可以进行信道估计。通过信道估计，合法接收端和非法接收端可以估计出接收的经过无线信道传输的标记信号yi中的目标标记信号
在一些示例中，由于合法接收端知晓自适应隐蔽性协议，非法接收端不知道到自适应隐蔽性协议，故合法接收端可以基于自适应隐蔽性协议进一步处理目标标记信号
在一些示例中，自适应隐蔽性协议设置了信息信号的能量分配因子
在一些示例中，接收端获取残余信号ri后，可以进一步判断残余信号ri中是否包含认证信号ti。接收端可以根据判断的结果向发射端反馈标记信号的信噪比阈值μ。由于接收端的反馈基于自适应隐蔽性协议，故接收端可以是基于自适应隐蔽性协议向发射端反馈信噪比阈值μ。其中，信噪比阈值是瞬时信噪比。因此，接收端可以是基于自适应隐蔽性协议向发射端反馈瞬时信噪比，也即在自适应隐蔽性协议中，接收端向发射端反馈瞬时信噪比。另外，信噪比阈值μ在一定范围内具有可行性。信噪比阈值μ的可行范围的获得后续进行详细描述。
另外，在一些示例中，接收端可以判断残余信号ri中是否包含认证信号ti。根据判断的结果接收端可以得到虚警概率(pfa)和检测率(pd)。检测率(pd)是能量分配因子
在一些示例中，在虚警概率(pfa)的约束下基于检测率(pd)可以得到保密认证概率(probabilityofsecrecyauthentication，psa)。保密认证概率(psa)可以由下式(5)计算得到：
psa＝max{pd,1-pd,2,0}(5)
其中，pd,1表示合法接收端的检测率，pd,2表示非法接收端的检测率。由此，通过保密认证概率(psa)可以确定标记信号被非法接收端监测的情况。
在一些示例中，物理层认证方法还可以包括基于接收的信息信号的信干噪比获得认证请求传输概率和隐蔽认证拒绝概率(步骤s130)。
在步骤s130中，规定的接收端接收的标记信号的信干噪比(theterminologymessage-to-interference-plus-noiseratio，minr)可以由下式(6)计算得到：
其中，
在一些示例中，若发射端发射的信号是常规信号，即发射端发射的信号不包括认证信号，则认证信号的能量分配因子
另外，在一些示例中，信干噪比(minr)与信息信号的能量分配因子的自适应地设置有关。具体而言，发射端可以知道信干噪比(minr)，在自适应隐蔽性协议中，设置能量分配因子
另外，认证请求传输概率(probabilityofauthentication-requesttransmission，part)可以根据上述的信干噪比(minr)得到。认证请求传输概率(part)可以由下式(7)计算得到：
由此，根据认证请求传输概率(part)能够衡量认证传输请求延迟的性能。
在一些示例中，基于上述步骤s110中的信道假设条件，在自适应隐蔽性协议下，结合式(7)可以得出式(8)所示的认证请求传输概率(part)：
其中，rb表示常规信号速率。在part＝1的情况下，任何请求延迟都是可行的。在一些示例中，在自适应隐蔽性协议下，认证请求传输概率(part)的值需要满足
另外，在一些示例中，在标记信号中的信息信号不能实现在接收端无错误地被解码时，接收端就会发生认证隐蔽拒绝事件。此时的认证隐蔽拒绝的概率(probabilityofauthentication-covertnessrejection，pacr)可以被认为是认证请求传输概率(part)条件下的认证隐蔽拒绝概率。认证隐蔽拒绝概率也称隐蔽认证拒绝概率。隐蔽认证拒绝概率(pacr)可以根据上述的信干噪比(minr)得到。隐蔽认证拒绝概率(pacr)可以由下式(9)计算得到：
在一些示例中，结合上述的式(8)和
另外，在自适应隐蔽性协议下，隐蔽认证拒绝概率(pacr)需要满足
在一些示例中，基于上述隐蔽认证拒绝概率(pacr)的约束条件，可以得到接收端反馈的信噪比阈值μ的可行范围，即
故在自适应隐蔽性协议下接收端反馈的信噪比阈值μ的可行范围是可以综合上述认证请求传输概率(part)的约束条件和隐蔽认证拒绝概率(pacr)的约束条件得到的。
另外，在一些示例中，在自适应隐蔽性协议下，设置能量分配因子
另外，根据式(8)，可以设置
在一些示例中，物理层认证方法还可以包括基于保密认证概率、认证请求传输概率和隐蔽认证拒绝概率计算出保密认证效率，以确定物理层认证的隐蔽等级，对能量分配因子进行优化，并且基于优化后的能量分配因子获取保密认证效率的最大值(步骤s140)。
在步骤s140中，保密认证概率(psa)、认证请求传输概率(part)和隐蔽认证拒绝概率(pacr)可以通过上述步骤s120和s130得到。
在一些示例中，基于保密认证概率(psa)、认证请求传输概率(part)和隐蔽认证拒绝概率(pacr)计算出保密认证效率(secrecyauthenticationefficiency，sae)。
在一些示例中，规定保密认证效率(sae)可以由下式(11)计算得到：
η＝part(1-pacr)psa(11)
其中，part表示认证请求传输概率(part)，pacr表示隐蔽认证拒绝概率(pacr)，psa表示保密认证概率(psa)。η表示保密认证效率(sae)。另外，使保密认证效率(sae)具有非零正值的条件是满足上述信噪比阈值μ的可行范围同时需要满足
在一些示例中，保密认证效率(sae)中包括认证请求传输概率(part)和隐蔽认证拒绝概率(pacr)，其中认证请求传输概率(part)可以评估物理层认证的请求延迟。隐蔽认证拒绝概率(pacr)可以确定物理层认证的隐蔽等级。由此，保密认证效率(sae)可以更好评估请求延迟和隐蔽等级。
另外，在一些示例中，对能量分配因子进行优化，并且基于优化后的能量分配因子获取保密认证效率的最大值。具体而言，在优化的能量分配因子
其中，εacr是隐蔽认证拒绝概率(pacr)的上限，而εart是认证请求传输概率(part)的下限，rb表示常规信号速率。
在本公开中，发射端基于自适应隐蔽性协议发射标记信号，接收端接收标记信号，基于自适应隐蔽性协议经过处理获得保密认证效率(sae)。其中，自适应隐蔽性协议规定根据接收端的瞬时信噪比自适应地设置信息信号的能量分配因子。在这种情况下，基于自适应隐蔽性协议和用于物理层认证的衡量指标——保密认证效率(sae)，能够更好评估隐蔽等级。
图4是示出了本公开的示例所涉及的物理层认证方法的接收端保密认证效率波形示意图。
在一些示例中，如图4所示，曲线a代表在自适应隐蔽性协议下的保密认证效率波形图。曲线b、c和d代表在非自适应隐蔽性协议下的保密认证效率波形图。
根据图可知，在自适应隐蔽性协议下，接收端的信噪比小于等于5db时，保密认证效率(sae)一直为零，当接收端的信噪比继续增大时，保密认证效率(sae)迅速增加并接近于1。而在非自适应隐蔽性协议下，在接收端的信噪比至少大于15db时，保密认证效率(sae)才迅速增加并接近于1。
由图可知，自适应隐蔽性协议下对接收端的信噪比要求比非自适应隐蔽性协议下对接收端的信噪比要求低，因此，在接收端信噪比较低时自适应隐蔽性协议更加优越。
图5是示出了本公开的示例所涉及的物理层认证方法的非法接收端保密认证效率波形示意图。
在一些示例中，如图5所示，曲线a代表在自适应隐蔽性协议下非法接收端的保密认证效率波形图。曲线b、c和d代表在非自适应隐蔽性协议下非法接收端的保密认证效率波形图。
由图可知，在自适应隐蔽性协议下，非法接收端的信噪比小于等于12db时，保密认证效率(sae)接近于1且变化不大，当非法接收端的信噪比继续增大时，保密认证效率(sae)迅速减小并接近于0，并在后续的非法接收端的信噪比继续增大时，保密认证效率(sae)慢慢减小至0。
根据图可知，在非自适应隐蔽性协议下，与曲线a走势相同的曲线b和c虽然比曲线a下降的晚，但是在非法接收端的信噪比较低时，曲线a的保密认证效率比曲线b和c高。通常保密认证效率越高越好，故非自适应隐蔽性协议下的曲线d是最差的一种情况。
综合考虑对合法接收端和非法接收端的不同要求，例如，对合法接收端和非法接收端的保密认证效率(sae)的不同要求，基于自适应隐蔽性协议的物理层认证方法更加有效。
图6是示出了本公开的示例所涉及的物理层认证系统结构示意图。
图7是示出了本公开的示例所涉及的物理层认证系统接收装置信号处理模块示意图。
在一些示例中，基于自适应隐蔽性协议的物理层认证系统，是具有发射装置和接收装置的无线通信系统的物理层认证系统。其中，接收装置可以包括合法接收装置和非法接收装置。另外，本公开中的发射装置和发射端可以是相同的概念，接收装置和接收端可以是相同的概念。
在一些示例中，如图6所示，基于自适应隐蔽性协议的物理层认证系统1(简称物理层认证系统1)可以包括发射装置10和接收装置20。接收装置20可以包括合法接收装置和非法接收装置。
在一些示例中，发射装置10基于自适应隐蔽性协议向无线信道发射标记信号，标记信号包括认证信号和信息信号。在自适应隐蔽性协议中，接收装置向发射装置反馈瞬时信噪比，根据接收端的瞬时信噪比自适应地设置信息信号的能量分配因子。
在一些示例中，发射装置10所在的物理层认证系统1的信道假设条件可以是接收装置的瞬时信道状态信息已知。具体而言，可以类比上述步骤s110中的信道假设条件。
在一些示例中，发射装置10向无线信道发射标记信号。也即发射装置10可以发送认证请求。标记信号可以包括认证信号和信息信号。认证信号可以反应发射装置10和合法接收装置之间共享的密钥知识。信息信号可以反映所要传递的信息。认证信号可以叠加在信息信号上。标记信号可以是成块发射的。标记信号可以如式(1)所示。本实施方式不限于此，发射装置10可以向无线信道发射常规信号。常规信号中不包括认证信号。
在一些示例中，基于上述的信道假设条件设置了自适应隐蔽性协议。发射装置10在向无线信道发射标记信号时，遵从的协议可以是自适应隐蔽性协议。自适应隐蔽性协议规定了接收装置向发射装置反馈瞬时信噪比(后续进行具体描述)，根据接收端的瞬时信噪比自适应地设置信息信号的能量分配因子。即发射端向无线信道发射标记信号时，标记信号中的信息信号的能量分配因子随接收端的瞬时信噪比自适应地设置。换而言之，自适应隐蔽性协议通过能量分配因子
在一些示例中，发射装置10基于自适应隐蔽性协议向无线信道发射标记信号。其中，无线信道存在信道增益h。故经过无线信道传输的标记信号可以包括信道增益h。
在一些示例中，由于非法接收装置不知道自适应隐蔽性协议且与发射装置10之间也没有共享的密钥知识，故非法接收装置对接收到的标记信号通常不能进行处理以进行隐蔽性分析。下面在对信号的处理中所涉及的接收装置20若无特别说明均是指合法接收装置。
在一些示例中，如图6所示，物理层认证系统1还可以包括接收装置20。接收装置20可以用于接收和处理经过无线信道的标记信号。接收装置20向发射装置10反馈信噪比阈值μ。如图6所示，虚线表示接收装置20对发射装置10的反馈。
在一些示例中，如图7所示，接收装置20可以包括处理模块21。处理模块21接收标记信号，基于自适应隐蔽性协议，对标记信号进行处理并向发射装置反馈瞬时信噪比，获得保密认证概率(psa)。
在一些示例中，由于发射装置10发射的标记信号是分块发射的，故标记信号可以被接收装置20分块接收。由于非法接收装置也可以分块接收标记信号。故接收装置20中的处理模块21接收到的标记信号如式(2)所示。
在一些示例中，接收装置20中的处理模块21和非法接收装置可以进行信道估计。通过信道估计，处理模块21和非法接收装置可以估计出接收的经过无线信道传输的标记信号yi中的目标标记信号
在一些示例中，由于接收装置20知晓自适应隐蔽性协议，非法接收装置不知道到自适应隐蔽性协议，故接收装置20的处理模块21可以基于自适应隐蔽性协议进一步处理目标标记信号
在一些示例中，自适应隐蔽性协议设置了信息信号的能量分配因子
在一些示例中，处理模块21获取残余信号ri后，可以进一步判断残余信号ri中是否包含认证信号ti。接收装置20可以根据判断的结果将标记信号的信噪比的阈值μ反馈给发射装置10。也即接收装置20可以是基于自适应隐蔽性协议向发射装置10反馈信噪比阈值μ。其中，信噪比阈值是瞬时信噪比。因此，接收装置可以是基于自适应隐蔽性协议向发射装置反馈瞬时信噪比，也即在自适应隐蔽性协议中，接收装置向发射装置反馈瞬时信噪比。另外，信噪比阈值μ的可行范围可以类比上述物理层认证方法中的信噪比阈值μ的获取。
另外，在一些示例中，接收装置20可以判断残余信号ri中是否包含认证信号ti。根据判断的结果接收装置20可以得到虚警概率(pfa)和检测率(pd)。检测率(pd)是能量分配因子
在一些示例中，如图7所示，接收装置20可以包括计算模块22。计算模块22基于接收的信息信号的信干噪比获得认证请求传输概率和隐蔽认证拒绝概率。
在一些示例中，规定的接收装置20接收的标记信号的信干噪比(minr)可以如式(6)所示。若发射装置10发射的信号是常规信号，即发射装置10发射的信号不包括认证信号，则认证信号的能量分配因子
另外，在一些示例中，信干噪比(minr)与信息信号的能量分配因子的自适应地设置有关。具体而言，发射端可以知道信干噪比(minr)，在自适应隐蔽性协议中，设置能量分配因子
在一些示例中，基于上述的信道假设条件，在自适应隐蔽性协议下，结合式(7)可以得出式(8)所示的认证请求传输概率(part)。在一些示例中，在自适应隐蔽性协议下，认证请求传输概率(part)的值需要满足
另外，在一些示例中，在标记信号中的信息信号不能实现在接收装置20无错误地被解码时，接收装置20就会发生认证隐蔽拒绝事件。隐蔽认证拒绝概率(pacr)可以根据上述的信干噪比(minr)得到。隐蔽认证拒绝概率(pacr)可以如式(9)所示。
在一些示例中，结合上述的式(8)和
另外，在自适应隐蔽性协议下，隐蔽认证拒绝概率(pacr)需要满足
另外，在一些示例中，在自适应隐蔽性协议下，设置能量分配因子
在一些示例中，如图7所示，接收装置20可以包括判定模块23。判定模块23根据保密认证概率、认证请求传输概率和隐蔽认证拒绝的概率计算出保密认证效率，以确定物理层认证的请求延迟和隐蔽等级，对能量分配因子进行优化，并且基于优化后的能量分配因子获取保密认证效率的最大值。
另外，在一些示例中，保密认证概率(psa)、认证请求传输概率(part)和隐蔽认证拒绝概率(pacr)可以通过处理模块21和计算模块22得到。
在一些示例中，基于保密认证概率(psa)、认证请求传输概率(part)和隐蔽认证拒绝概率(pacr)计算出保密认证效率(sae)。规定保密认证效率(sae)可以由如式(11)所示。
在一些示例中，保密认证效率(sae)中包括认证请求传输概率(part)和隐蔽认证拒绝概率(pacr)，其中认证请求传输概率(part)可以评估物理层认证的请求延迟。隐蔽认证拒绝概率(pacr)可以确定物理层认证的隐蔽等级。由此，保密认证效率(sae)可以更好评估请求延迟和隐蔽等级。
另外，在一些示例中，对能量分配因子进行优化，并且基于优化后的能量分配因子获取保密认证效率的最大值。具体而言，在优化的能量分配因子
图8是示出了本公开的示例所涉及的物理层认证设备的结构示意图。在一些示例中，发射端与接收端都包含如图8所示的认证设备30。
在一些示例中，如图8所示，认证设备30包括处理器31和存储器32。其中，处理器31以及存储器32分别连接通信总线。在一些示例中，存储器32可以是高速ram存储器，也可以是非易失性的存储器(non-volatilememory)。本领域技术人员可以理解，图8中示出的认证设备30的结构并不构成对本公开的限定，它既可以是总线形结构，也可以是星型结构，还可以包括比图8所示的更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
其中，处理器31为认证设备30的控制中心。在一些示例中，可以是中央处理器(centralprocessingunit，cpu)，处理器31利用各种接口和线路连接整个认证设备30的各个部分，通过运行或执行存储在存储器32内的软件程序和/或模块，以及调用存储在存储器32内存储的程序代码，用于执行以下操作：
在接收端的瞬时信道状态信息已知的情况下，发射端基于自适应隐蔽性协议向无线信道发射标记信号，标记信号包括认证信号和信息信号，在自适应隐蔽性协议中，接收端向发射端反馈瞬时信噪比，根据接收端的瞬时信噪比自适应地设置信息信号的能量分配因子(由发射端的认证设备30执行)。
接收端接收标记信号，基于自适应隐蔽性协议，对标记信号进行处理并向发射端反馈瞬时信噪比，获得保密认证概率；基于接收的信息信号的信干噪比获得认证请求传输概率和隐蔽认证拒绝概率；并且基于保密认证概率、认证请求传输概率和隐蔽认证拒绝概率计算出保密认证效率，以确定物理层认证的隐蔽等级，对所述能量分配因子进行优化，并且基于优化后的所述能量分配因子获取所述保密认证效率的最大值(由接收端的认证设备30执行)。
在一些示例中，认证设备30的处理器31还执行以下操作：瞬时信噪比满足
在一些示例中，认证设备30的处理器31还执行以下操作：接收端的瞬时信噪比自适应地设置信息信号的能量分配因子的方法是指设置信息信号的能量分配因子
在一些示例中，认证设备30的处理器31还执行以下操作：信息信号的能量分配因子的优化值满足下式(10)：
在一些示例中，认证设备30的处理器31还执行以下操作：保密认证效率由下式(11)计算得到：η＝part(1-pacr)psa(11)，其中，part表示认证请求传输概率，pacr表示隐蔽认证拒绝概率，psa表示保密认证概率。
在一些示例中，认证设备30的处理器31还执行以下操作：信息信号的信干噪比由下式(6)计算得到：
在一些示例中，应该理解到，所揭露的设备，可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备示例中仅仅是示意性的，例如单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在一些示例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
在一些示例中，集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储器中。基于这样的理解，本公开的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储器中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本公开各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储器包括：u盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在一些示例中公开了一种计算机可读存储介质，本领域普通技术人员可以理解上述示例中的各种物理层认证方法中的全部或部分步骤是可以通过程序(指令)来指令相关的硬件来完成，该程序(指令)可以存储于计算机可读存储器(存储介质)中，存储器可以包括：闪存盘、只读存储器(read-onlymemory，rom)、随机存取器(randomaccessmemory，ram)、磁盘或光盘等。
虽然以上结合附图和实施例对本公开进行了具体说明，但是可以理解，上述说明不以任何形式限制本公开。本领域技术人员在不偏离本公开的实质精神和范围的情况下可以根据需要对本公开进行变形和变化，这些变形和变化均落入本公开的范围内。
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