MISO窃听系统中的恶意导频干扰检测*
宁宏新**
【摘 要】在一个三节点多输入单输出(Multi-Input Single-Output,MISO)窃听系统中，当窃听方在信道估计阶段发送恶意导频信号来干扰信道估计时，合法通信的保密性受到严重威胁。针对该安全问题，提出了基于估计信道协方差和基于接收信干比两种恶意导频干扰检测方案。首先概述基于估计信道协方差的恶意导频干扰检测方案原理，推导该方案下检测概率和虚警概率的解析表达式；其次给出基于接收信干比的恶意导频干扰检测方案机制及其检测概率和虚警概率的具体表达式，并通过理论分析对比得出基于估计信道协方差的检测方案性能较优；最后通过数值仿真对比分析了两种方案的干扰检测性能。 【期刊名称】电讯技术 【年(卷),期】2019(059)005 【总页数】6
【关键词】多输入单输出(MISO)窃听系统;物理层安全；恶意导频干扰；干扰检测
开放科学(资源服务)标识码(OSID)：
引用格式：宁宏新.MISO窃听系统中的恶意导频干扰检测[J].电讯技术，2019,59(5):594-599.[NING
Hongxin.Detection
of
malicious
pilot
contamination in MISO eavesdropping systems[J].Telecommunication Engineering,2019,59(5):594-599.]
基金项目：2018年度广西高校中青年教师基础能力提升项目(2018ky0901)
1 引 言
由于无线信号的广播传输特性，非法用户通常采用窃听[1]和干扰[2]等方式来威胁合法通信的安全性。针对该安全威胁，传统的在高层对信息进行加密[3-4]技术是公认的有效解决方案。但是通信网络的拓扑变化给加密技术中的密钥管理带来了难题，而用户密钥更新过程增加了算法的复杂度。近年来提出的物理层安全方法利用编码、调制等通信传输手段，研究有效的无线信号安全传输的方法[5-8]，在保证合法用户通信安全的同时，降低了窃听者的窃听性能。 针对传统纯窃听的三节点场景，基于无线信道特征的信号处理技术如人工噪声[9]是物理层安全的一个研究方向。人工噪声技术是指发送方根据合法信道的信道状态信息(Channel State Information,CSI)，设计合适的信号和噪声预编码矩阵，然后在信号发送阶段发送经过预编码的信号和噪声，该预编码噪声经过主信道时会被过滤掉，于是该噪声仅仅干扰窃听方，而不干扰合法信道，从而实现提高系统安全性能。在实际通信系统中，该信道状态信息需要通过信道估计[10]获取，即合法接收方发送导频信号，发送方根据接收信号完成信道估计。然而，窃听方可能通过渗透、截获等途径获取该导频信号，当合法接收方发送导频信号时，它也同时发射导频信号，干扰信道估计结果。这个过程被称为恶意导频干扰，它的威胁有两方面：一是发送方估计的CSI被导频干扰，导致合法通信质量无法保证；二是在信号传输阶段发送方可能设计有利于窃听方的预编码矩阵，从而增强了窃听性能。文献[11]首先分析了窃听方发送恶意导频干扰时的信道估计结果，进一步研究了基于该估计结果的随机波束成形技术性能，得出导频干扰显著提高窃听性能。文献[12]从最大化窃听性能的角度出发，研究得出窃听方只需要知道合法通信的帧结构就能实施恶意导频干扰。在此的基础上，文献[13]提出了一种导频干扰检测技术，在已知符号中随机选择导频，
并通过两次反向训练过程最终实现干扰检测概率几乎为1，但两次反向训练增加了通信系统的复杂度。针对全双工窃听方发送的恶意导频干扰，文献[14]提出了一种基于数据协方差矩阵和最小描述长度算法的干扰检测算法，但所提算法复杂度相对较高。
针对窃听方在反向训练阶段发送导频干扰带来的安全威胁，本文首先分析存在恶意导频干扰时信道估计和合法接收方的接收信干比，得出窃听方的导频干扰不仅降低合法通信质量，还能增强窃听性能。在此分析基础上，提出了两种基于估计信道协方差和基于接收信干比的导频干扰检测方案，并通过数值仿真分析对比了两种方案的干扰检测性能及不同的系统参数对各方案性能的影响。
2 系统模型和问题提出
在一个三节点多输入单输出(Multiple-Input Single-Output,MISO)复高斯网络中，发送方A是多天线节点(NA>1)，合法接收方B和窃听方E均是单天线，如图1所示。
在反向训练阶段，合法接收方向发送方发送归一化的导频信号xP[15]，即方差为1。当窃听方仅采取传统的窃听手段时，发送方的接收信号为 (1)
式中：表示节点k到节点l的信道状态信息；假设节点间信道有大尺度路径损耗衰减和小尺度块衰落，大尺度路径损耗衰减系数是节点间的距离，参数α和κ都是路径损耗常数；小尺度块衰落向量hkl的参数服从CN(0,1)，且在传输块时间内保持不变。根据信道的互易性，易得是独立的加性复高斯噪声向量，向量里的元素是零均值、方差为为节点的发送或干扰功率。 基于最小二乘准则的信道估计结果为
MISO窃听系统中的恶意导频干扰检测
