本发明属于物理层安全技术领域,具体涉及一种双跳网络中基于信道的物理层认证方法。
背景技术:
物理层认证技术利用信道,设备,信号等的物理特性,实现发方的身份识别,有易于实现,安全性强,与上层协议兼容等优点。现有的物理层认证技术,大致分为三类:基于水印的认证方法:将认证信息嵌入已调制好的信号中;基于射频指纹的认证方法:利用发端硬件设备的特异性,如载波频率偏移等;基于信道特性的认证方法:利用信道的空时唯一性,提取出信道特征,如信道频率响应,幅度,到达角度,多普勒等。
基于信道特性的物理层认证原理是,依据电磁传播理论,当合法方与非法方间的距离远大于波长时,两者经历的信道衰落独立;在相干时间内的两帧数据,信道变化较小。物理层认证技术通过对发送方的身份进行验证,抵抗伪造消息类的攻击,能有效提升信息传输的可靠性。相比于上层的认证技术,具有认证速度快,复杂度低,兼容性强的优点。
技术实现要素:
本发明的目的是,在含放大转发类中继的双跳无线网络中,利用信道特性实现对发送方身份的认证,同时通过优化发端与中继的功率配比,使基于信道特性的物理层认证系统在总发射功率不变的条件下,认证性能得到提升。
本发明的技术方案为:利用中继与接收端在环境与设备方面的差异性,联合调整发端与中继的发射功率,使认证系统中虚警率与漏检率的和达到最小。认证系统采用的方案为,首先量化同一子载波相邻时刻信道频率响应的变化,然后合并多个独立子载波上的量化结果进行判决。
在双跳网络的物理层认证系统中,合法发方记为alice,非法发方为eve,假设alice与eve有相同的发射功率p1;中继记为relay,其发射功率为p2,噪声功率为n1;收方记为bob,噪声功率为n2;系统总发射功率为p。x-relay为第一段信道(x为alice或eve),relay-bob为第二段信道。具体认证步骤如下:
s1、初始化:测量中继与接收端处的噪声功率n1,n2,根据信噪比与能效要求确定总发射功率p,按照本发明分配发射功率,分配比为:
s2、信道估计:估计t时刻级联信道x-relay-bob第n个子载波上的信道频率响应
s3、量化:定义第n个子载波上相邻两个时刻级联信道频率响应差值的平方为
式中x表示a或e,
s4、合并判决:对n个独立子载波上的量化结果进行等增益合并
h0:ω<z
h1:ω≥z
其中,判决门限z可以根据实际系统中对于漏检率与虚警率的不同要求在[1,n]的范围进行调整。h0假设成立时,判定接收信号来自alice;h1假设成立时,判定接收信号来自非法方eve。
本发明的有益效果是:
本发明根据中继与接收端的噪声功率,联合调整发端与中继的发射功率,使双跳无线网络中基于信道特性的物理层认证系统,在发送总功率不变的条件下,虚警率与漏检率的和达到最小,认证性能得到提升。
附图说明
图1为在不同噪声环境下,本发明所提功率分配方案与仿真中实际最优方案的比较。
图2为在不同噪声环境下,本发明所提方案下的虚警率与漏检率的和与实际最小和的比较。
具体实施方式
级联信道t时刻第n个子载波上的信道频率响应可以表示为:
其中
用差值的平方衡量第n个子载波相邻时刻信道频率响应的变化。
因为无论bob收到的消息来自alice还是eve,经历的第二段信道是相同的,所以假设h2,n(t),h2,n(t-1)已知。则在t时刻,
式中α为第一段信道时域的相关系数α=j0(2πtfd),式中j0(·)表示零阶贝塞尔函数,fd为第一段信道中的多普勒频移,t为t时刻与t-1时刻的时间间隔。
引入一比特的量化器,量化同一子载波相邻时刻信道频率响应的变化:
式中,thn是针对第n个子载波的量化门限,qn是第n个量化器的输出结果。
在t时刻,
式中
在整个过程中,
在n个独立的子载波上进行相同的量化操作,然后将n个量化结果进行等增益合并
基于合并结果构建二元假设检验:
h0:ω<z
h1:ω≥z
式中z为判决门限,若h0假设成立,则判定t时刻收到的信号来自于合法发alice,反之,则来自eve。
因为每个子载波上的pfa,n与pmd,n是相同的,对n个独立的量化结果合并判决,得到系统的虚警率pfa与漏检率pmd为:
虚警率与漏检率是衡量认证性能的两个重要指标,通常情况下,两者相互制约,当虚警率减小时,漏检率往往会升高。定义优化目标为使虚警率与漏检率的和最小,
s.t.p1+p2=p
在噪声与发射总功率一定的条件下,虚警率与漏检率还受到门限的影响。最优量化门限所满足的充分条件为:
解得最佳门限thn:
将最优量化门限代入虚警率与漏检率的表达式,化简目标函数得:
忽略掉常数项,对幂指数函数取对数,然后利用一阶泰勒级数的零点展开式化简上式。原优化问题等价为
s.t.p1+p2=p
可以证明
式中,p2是中继的发射功率,β是第二段信道的相关系数,β=j0(2πtfd)。优化问题转换为:
s.t.p1+p2=p
解此问题得到,上界的极小值点为
上述步骤中,使用上界