阅读说明：本技术 一种基于多节点协作干扰阻塞的无线隐蔽通信模型及方法 (Wireless covert communication model and method based on multi-node cooperative interference blocking ) 是由 郑通兴 杨子腾 李啸 郭建雄 于 2020-04-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供的一种基于多节点协作干扰阻塞的无线隐蔽通信模型及方法,包括一个发射机、一个目标接收机、一个监听方、以及N个协作节点,其中,所述发射机发出的隐蔽信号和协作节点发出的人工噪声信号均发送至目标接收机；所述监听方用于实时接收发射机发出的隐蔽信号和协作节点发出的阻塞信号；本方法以隐蔽吞吐量为评估指标,通过设计阻塞节点选择准则并优化相关传输参数,在保证监听方检测错误率高于某一阈值的条件下,使系统始终工作在隐蔽吞吐量最优的环境；本发明进一步增加了监听方探测到隐蔽信息的难度,使得无线网络中隐蔽通信的实现更为容易,隐蔽吞吐量更高,提升了隐蔽信息传输的性能。(The invention provides a wireless covert communication model and a method based on multi-node cooperative interference blocking, which comprises a transmitter, a target receiver, a monitoring party and N cooperative nodes, wherein both a covert signal sent by the transmitter and an artificial noise signal sent by the cooperative nodes are sent to the target receiver; the monitoring party is used for receiving a hidden signal sent by a transmitter and a blocking signal sent by a cooperative node in real time; the method takes the hidden throughput as an evaluation index, and ensures that a system always works in an environment with the optimal hidden throughput under the condition of ensuring that the detection error rate of a monitoring party is higher than a certain threshold value by designing a blocking node selection criterion and optimizing related transmission parameters; the invention further increases the difficulty of detecting the hidden information by the monitoring party, so that the hidden communication in the wireless network is easier to realize, the hidden throughput is higher, and the transmission performance of the hidden information is improved.)

一种基于多节点协作干扰阻塞的无线隐蔽通信模型及方法

技术领域

本发明涉及无线网络中的无线隐蔽通信方法研究，特别涉及一种基于多节点协作干扰阻塞的无线隐蔽通信模型及方法。

背景技术

近年，人们对无线设备的依赖性快速增长，但是由于无线通信的广播性质，无线通信的安全性和隐私性受到越来越多的关注，无线通信安全是任何通信系统所需要面临的核心问题。安全和隐私在现有和未来的无线网络中是至关重要的，因为大量的机密信息(例如信用卡信息、军事信息等)是通过开放的无线介质传输的。虽然传统的信息安全技术可以提供保护，通过加密防止窃听，但是，最近几年的研究已经表明，即使是最强大的加密技术也可以被一个坚定的对手打败。另一方面，物理层安全手段虽然利用无线介质的动态特性来最大程度地减少窃听者获取的信息。但是，它并不能提供对传输本身检测的防护，因为加密的传输首先会引起窃听者怀疑，并引起窃听者的进一步探测。

于是，隐蔽通信的需要日益广泛，隐蔽通信的目的是使两个用户之间能够进行无线传输，同时保证该用户的被检测到概率可以忽略不计。这种强大的安全性(即无线隐蔽通信)在无线通信的许多应用场景中是需要的，例如秘密军事行动，车辆特设网络中的位置跟踪以及传感器网络或物联网的互通。

近来已有诸多学者进行了无线隐蔽通信方面的研究，提出了许多经典的通信场景模型，例如基于全双工接受器的隐蔽通信模型和基于贪婪中继的隐蔽通信模型等，但这些模型都只有一个干扰源，而现实的无线通信中受到的干扰并非单一的，甚至还可能通过许多用户间的协作干扰来达成传输隐蔽信息的目的。由此可见，对更为现实场景的研究是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多节点协作干扰阻塞的无线隐蔽通信模型及方法，解决了现有建立的无线隐蔽通信模型场景单一，导致无线通信的隐蔽仍存在一定风险的缺陷。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种基于多节点协作干扰阻塞的无线隐蔽通信模型，包括一个发射机、一个目标接收机、一个监听方、以及N个协作节点，其中，所述发射机发出的隐蔽信号和协作节点发出的人工噪声信号均发送至目标接收机；所述监听方用于实时接收发射机发出的隐蔽信号和协作节点发出的阻塞信号。

优选地，所述发射机、目标接收机、监听方以及协作节点均配置有单根天线。

一种基于多节点协作干扰阻塞的无线隐蔽通信方法，基于所述的一种基于多节点协作干扰阻塞的无线隐蔽通信模型，包括以下步骤：

步骤1，当前时隙发射机与目标接收机之间建立通信链路；目标接收机通过信道训练获取通信链路的信道状态信息，设定上下行信道互易，且发射机已知目标接收机和协作节点的位置信息；

步骤2，设定筛选阈值，根据筛选阈值在N个协作节点中选取阻塞节点；

步骤3，根据步骤2中选取的阻塞节点，计算监听方的检测错误概率、以及发射机和目标接收机间的通信中断概率；

步骤4，根据步骤3得到的监听方的检测错误概率、以及发射机和目标接收机间的通信中断概率，计算发射机和目标接收机之间的隐蔽吞吐量；

步骤5，根据步骤4中得到的多个隐蔽吞吐量中的最大的隐蔽吞吐量对应的筛选阈值，确定阻塞节点的数量。

优选地，步骤2中，设定筛选阈值，根据筛选阈值在N个协作节点中选取阻塞节点：

若N个协作节点中某个协作节点的小于预设筛选阈值，则将该协作节点作为阻塞节点，并利用示性函数表示筛选方法，其中，为第k个协作节点到目标接收机间的信道增益。

优选地，步骤3中，计算监听方的检测错误概率，具体方法是：

S1，设发射机在当前时隙中传送的隐蔽信号为x_t[i]；且始终以功率P_t发生隐蔽信号；

设阻塞节点在当前时隙可发送的阻塞信号为且始终以功率P_j发送噪声信号；

S2，监听方对当前时隙接收到的信号进行二元假设检验；

S3，根据S2得到的检验结果计算监听方的检测错误概率。

优选地，S2中，通过下式表示监听方接收到的信号：

其中，y_w[i]为监听方接收到的信号；n_w[i]是监听方接收的白噪声信号；为原假设，表示发射机未发送隐蔽信息；为备择假设，表示发射机发送了隐蔽信息；

监听方对当前时隙接收到的信号进行二元假设检验，具体方法是：

若监听方在当前时隙接收信号的平均功率T_w小于监测阈值μ时，则监听方的判断结果为原假设正确；

若监听方在当前时隙接收信号的平均功率T_w大于监测阈值μ时，则监听方的判断结果为备择假设正确；

S3中，根据S2得到的检验结果计算监听方的检测错误概率，具体方法是通过下式计算：

ξ＝α+β

其中，α为虚警概率，表示发射机未发送隐蔽信息，而监听方判断当前时隙接收到的信号为发射机发送隐蔽信息的概率；β为漏报概率，表示发射机发送隐蔽信息，而监听方判断当前时隙接收到的信号为发射机未发送隐蔽信息的概率。

优选地，步骤3中，计算发射机和目标接收机间的通信中断概率，具体方法是：

记发射机和目标接收机间的隐蔽通信速率为R，发射机和目标接收机间的信道容量为C，当C<R时，隐蔽通信中断，由此可得出通信中断概率的表达式为：

其中，δ为通信中断概率；γ_r是接收机接收的信号的信干噪比。

优选地，步骤4中，在保证监听方检测错误概率满足给定隐蔽约束的条件下得出最大隐蔽吞吐量，通过下式表示：

其中，为隐蔽吞吐量；为期望最低检测错误概率；ε为给定隐蔽约束。

优选地，步骤5中，确定阻塞节点的数量具体方法是：

根据标准正态分布的函数值分布特性，在区间[0,10]上对发射机和目标接收机间的隐蔽通信速率为R、以及筛选阈值τ进行二维数值搜索，得到满足给定隐蔽约束条件的最大隐蔽吞吐量，进而得到该最大隐蔽吞吐量对应的发射机和目标接收机间的最优隐蔽通信速率、以及最优筛选阈值；根据最优筛选阈值在N个协作节点中选取阻塞节点。

与现有技术相比，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种基于多节点协作干扰阻塞的无线隐蔽通信模型及方法，通过智能遴选一定数量的协作节点发射阻塞信号，在不以损害目标通信的前提下，最大限度地干扰监听方的检测，实现了可靠且隐蔽的通信目标；本方法以隐蔽吞吐量为评估指标，通过设计阻塞节点选择准则并优化相关传输参数，在保证监听方检测错误率高于某一阈值的条件下，使系统始终工作在隐蔽吞吐量最优的环境；通过仿真实验证明，系统的最大隐蔽吞吐量随着协作用户节点总数的增大而显著增加，从而证明了基于多节点协作干扰阻塞的无线隐蔽通信方法的可行性和优越性。

附图说明

图1是本发明涉及的无线隐蔽通信模型示意图；

图2是在不同下最大隐蔽吞吐量随可供筛选的协作节点总数N的变化图；

图3是在不同下最优筛选阈值τ^*随可供筛选的协作节点总数N的变化图；

图4是在不同下最优隐蔽通信速率R^*随可供筛选的协作节点总数N的变化图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种基于多节点协作干扰阻塞的无线隐蔽通信模型，包括一个发射机T、一个目标接收机R、一个监听方W、以及N个用于辅助该发射机T进行隐蔽通信的协作节点J_k，其中，k＝1,2,…,N。

所述发射机发出的隐蔽信号和协作节点发出的干扰信号均发送至目标接收机；所述监听方用于实时接收发射机发出的隐蔽信号和协作节点发出的阻塞信号。

所述发射机、目标接收机、监听方以及协作节点J_k配置有单根天线。

基于上述无线隐蔽通信模型，本发明提供的一种基于多节点协作干扰阻塞的无线隐蔽通信方法，包括以下步骤：

第一步，当前时隙发射机T与目标接收机R之间建立通信链路，目标接收机R通过信道训练获取通信链路的信道状态信息；考虑时分双工系统且信道慢变，即设定上下行信道互易；假设发射机T已知目标接收机R和协作节点J_k的位置信息；记发射机到目标接收机的信道为h_t,r；发射机到监听方的信道为h_t,w；第k个协作节点到目标接收机的信道为第k个协作节点到监听方的信道为

第二步，设计多节点协作干扰阻塞方案，通过设计选择方案智能遴选一定数量的协作节点发射阻塞信号干扰监听方的检测，并计算监听方的检测错误概率；具体如下：

S1，本方案基于阈值τ筛选阻塞节点，即满足的协作节点被选为阻塞节点，通过示性函数表示阻塞节点的选择基准：

为第k个协作节点到目标接收机间信道增益；

记发射机T在当前时隙中传送的隐蔽信号为x_t[i]，满足i＝1,2,…,n为当前使用信道的索引；为x_t[i]的共轭，并且始终以功率P_t进行传送；

记协作节点J_k在当前时隙可发送的人工噪声信号为满足 是的共轭。

被选出的阻塞节点均以功率P_j发送噪声信号，且功率P_j在区间上服从均匀分布，即功率P_j的概率密度函数为：

其中，是协作节点能达到的最大噪声发送功率。

而监听方面临二元假设检验问题，二元假设分别为原假设和备择假设其中，原假设为发射机未发送隐蔽信息；备择假设为发射机发送了隐蔽信息；故监听方接收到的信号y_w[i]可以表示为：

其中，n_w[i]是监听方接收的白噪声信号，其方差为

监听方在当前时隙接收信号的平均功率T_w为：

监听方利用基于监测阈值μ的判断准则来判断发射机是否发送隐蔽信息，即当T_w<μ时,监听方倾向于并记此事件为当T_w>μ时，监听方倾向于并记此事件为其中，μ＞0；在本方法中，假设信道的使用数为无穷大，即n→∞，故

定义虚警概率为在发生的情况下，监听方判断结果倾向于的概率，记为 定义漏报概率为在发生的情况下，监听方判断结果倾向于的概率，记为 那么在 发生概率相同的情况下可得出监听方的检测错误概率为ζ＝α+β，虚警概率和漏报概率的具体表达式如下：

其中，表示求概率，

根据函数单调性可得到最优监测阈值μ^*为：

相应的最低检测错误概率ξ^*为

那么期望最低检测错误概率为

其中，表示求数学期望。并且和分别为

其中，p＝1-e^-τ。

第三步，计算发射机和目标接收机间的通信中断概率，并在保证监听方检测错误概率高于给定隐蔽约束的条件下得出最大隐蔽吞吐量；具体如下：

首先在下目标接收机接收到的信号可表示为：

其中，n_r[i]是监听方接收的白噪声信号，其方差为

那么目标接收机接收信号的信干噪比为：

记发射机和目标接收机间的隐蔽通信速率为R，发射机和目标接收机间的信道容量为C，当C<R时，隐蔽通信中断，由此可得出通信中断概率的表达式为:

其中κ＝(1-p)^N(1-λ)，

那么隐蔽吞吐量可表示为

则最大隐蔽吞吐量为

其中，ε为给定隐蔽约束，其取值为[0,1]。

根据标准正态分布的函数值分布特性，在区间[0,10]上对R，τ进行二维数值搜索，即可得到满足上述条件的最大隐蔽吞吐量而对应的R^*,τ^*分别为最优隐蔽通信速率和最优筛选阈值，之后即可根据最优筛选阈值τ^*，在N个协作节点中筛选出阻塞节点，从而实现发射机和目标接收机间的隐蔽通信。

仿真实验验证了本专利基于多节点协作干扰阻塞的无线隐蔽通信方法的有效性和可实现性。本实验中在发射机发射功率为P_t＝10W，噪声功率隐蔽约束ε＝0.9的条件下，改变阻塞节点的最大噪声发送功率和可供筛选的协作节点总数N进行仿真。分别在30W、100W三种情况下，使可供筛选的协作用户节点总数从10至100，以10为步长变化，并对每组数据进行5000次实现。

图2为在不同下最大隐蔽吞吐量随可供筛选的协作节点总数N的变化图。对比不同的可以发现，均随协作节点总数N的增加而显著增加，从而证明了本方法的可行性和优越性。另外，可以注意到并非的单调函数，这是因为较大的会导致较大的检测错误概率和较大的通信中断概率，而检测错误概率的增大使得隐蔽吞吐量增大，通信中断概率增大则使得隐蔽吞吐量减小，故并非的单调函数。

图3为在不同下最优筛选阈值τ^*随可供筛选的协作节点总数N的变化图。从图3中可以看出，τ^*不但随N的增大而减小，还随着的增大而减小。这是因为N的增大和的增大都意味着干扰噪声的增强，从而导致较小的筛选阈值即可满足给定隐蔽约束。在N＝10， 时，筛选阈值只有在趋于无穷大时，才能满足隐蔽约束，即，在该条件下隐蔽约束被满足的可能性几乎为零，因此图中并没有显示该点的数据，同时，该点对应的和R^*也均记为0。

图4为在不同下最优隐蔽通信速率R^*随可供筛选的协作节点总数N的变化图。从图4中可以看出，R^*均随协作节点总数N的增加而增加，同样R^*并非的单调函数，其原因与并非的单调函数的原因类同。

本发明与其他对比：

(1)本发明采用多节点协作干扰阻塞以进行无线隐蔽通信的思路，通过选择多个阻塞用户发射人工噪声来对抗监听方，同时并不会对隐蔽通信过程产生较大影响。

(2)多节点协作干扰阻塞的无线隐蔽通信方法充分地发挥了当前时隙空闲用户在隐蔽通信方面的作用。空闲用户数量多，分布范围广，通过文中的筛选方案总能得到可以对隐蔽通信起到帮助作用的空闲用户，使得空闲用户的资源得到了更高效的利用。

(3)多节点协作干扰阻塞的无线隐蔽通信方法进一步增加了监听方探测到隐蔽信息的难度，使得无线网络中隐蔽通信的实现更为容易，隐蔽吞吐量更高，提升了隐蔽信息传输的性能。