【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于大規模接入網絡中的隨機接入與數據傳輸領域，具體涉及一種基于信道去污的大規模接入導頻污染攻擊對抗方法及通信系統。
技術介紹
1、免授權接入機制可避免設備與基站在隨機接入過程中產生的大量信令開銷與接入延時，為大規模機器類通信(massive?machine?type?communications，mmtc)網絡提供了高效的接入技術支持，提高通信效率。在免授權接入機制下，設備可直接向基站發送數據，而無需等待基站授權。由于該機制缺乏對接入設備的身份驗證，僅通過識別接收的導頻序列區分用戶，使得mmtc網絡易受導頻污染攻擊(pilot?contamination?attack，pca)。pca指攻擊者通過發送與合法用戶(legitimate?user，lu)相同的導頻序列，冒充lu的身份，從而接入基站，對lu的信道信息噪聲污染，從而惡化基站對合法用戶的活躍性檢測、信道估計，以及后續的數據接收的準確性。如何針對該問題，設計基于信道去污的免授權mmtc網絡pca對抗方案，是一個需要解決的技術問題。
2、現有針對信道去污與pca對抗問題的研究中，大部分針對的是單用戶、單攻擊者情況下的pca對抗場景，例如公開號為cn109905203a的中國專利，提供了抵抗pca的協作矢量安全傳輸方案，通過接收方與第三方可信節點協作融合檢測的方式對抗pca，實現安全傳輸。然而在免授權mmtc網絡中，同時存在大量的合法用戶與潛在攻擊者，基站需要在眾多用戶中識別此時正處于信號發送狀態的合法用戶與攻擊者，即完成用戶活躍性檢測，再進行后續的攻擊檢
技術實現思路
1、為了解決現有技術中存在的問題，本專利技術提供一種基于信道去污的大規模接入導頻污染攻擊對抗方法，通過利用毫米波信道在角度-時延-時隙域的聯合特性，對接入設備的合法性進行判別，并對被攻擊lu的信道進行去污重建，以對抗pca。
2、為了實現上述目的，第一方面，本專利技術提供一種基于信道去污的大規模接入導頻污染攻擊對抗方法，包括以下步驟：
3、基于免授權mmtc網絡構建毫米波上行多輸入多輸出系統模型，聯合考慮角度-時延-時隙域的合法用戶與攻擊者的傳輸特征，構建三維稀疏cvr矩陣h及三維接收信號y，得到在角度-時延域具有稀疏性且在時隙域具有時間相關性的三維傳輸模型；
4、基于構建的三維傳輸模型，對抗導頻污染攻擊的信道去污問題可轉換成下述的多維稀疏信號恢復問題：
5、
6、其中，t表示時隙索引，t表示一次傳輸包含的時隙總數，o{：，t}＝vec(y{：，:，t})表示向量化后的觀測信號，φ表示測量張量，ψk表示字典，與表示字典的原子索引集，其中i1，i2分別表示字典ψ1的列索引與行索引，j1，j2分別表示字典ψ2的列索引與行索引，n表示系統中用戶總數，d表示信道時延抽頭數，m表示基站天線數，rdelay、raoa表示字典的時延個數與角度個數；h表示估計的cvr矩陣，h{j，t}表示所估計cvr矩陣在t時隙，j處索引的值；
7、基于多維字典的稀疏度自適應匹配追蹤算法求解所述多維稀疏信號恢復問題，得到cvr矩陣h的估計結果
8、基于cvr矩陣h的估計結果聯合用戶活躍性檢測、pca檢測與信達去污準則實現pca對抗，得到估計的合法活躍用戶集合pca攻擊者集合與去污重建后的合法用戶信道矩陣
9、進一步的，所述傳輸系統包括一個具備m根天線的基站、n個單天線的lu和多個pca攻擊者；假設每個lu產生零星流量且位置固定，pca攻擊者能隨機發動攻擊并位置可變；lu索引集表示為基站天線索引集表示為每個lu分配一個導頻序列sn，長度為c；假設多個pca攻擊者通過發送與活躍lu相同的導頻序列進行攻擊，對lu的信道信息進行污染；在時隙t基站接收到的來自所有活躍lu與pca攻擊者的導頻信號用信道模型yt＝gts+g′ts+wt表示，其中gt與g′t分別表示lu與攻擊者的信道矩陣，s表示導頻矩陣，wt表示噪聲。
10、進一步的，所述信道模型yt＝gts+g′ts+wt中，信道矩陣表示為其中二維指示變量與分別表示lun的激活狀態與被攻擊狀態，與分別表示lun在時隙t的信道矩陣，以及在時隙t攻擊lun的攻擊者的信道矩陣；信道信息由d個信道抽頭構成，即表示抽頭d處的信道信息，采用幾何信道模型表示，其中l表示散射體個數，表示lun在時隙t第l條路徑的信道增益，θn，l表示第l條路徑的物理aoa，a(θn，l)表示天線陣列響應，τn，l表示路徑l的時延，ts表示采樣周期，f(τ)表示采樣脈沖；引入cvr描述毫米波信道的稀疏特性，則表示為其中b表示虛擬aoa字典，f[d]表示時延字典，表示lun在時隙t的cvr矩陣，cvr矩陣在角度-時延域具有稀疏特性；相應的對于攻擊lun的攻擊者，該信道信息表示為其中，表示在時隙t攻擊lun的攻擊者的cvr矩陣。
11、進一步的，構建多時隙構成的三維傳輸模型y{：，：，t}＝bh{：，：，t}fs+wt，t＝1，…，t，其中y{：，：，t}＝yt表示時隙t的接收信號，表示時隙t的統一cvr矩陣，其中表示lun在時隙t分別處于被攻擊、安全、空閑狀態下的cvr，其中與表示在時隙t處于活躍與被攻擊狀態的lu集合；lu的激活狀態在t個時隙內保持不變，對于安全狀態下的用戶lun，所述cvr具有時間相關性。
12、進一步的，采用基于多維字典的稀疏度自適應匹配追蹤算法進行求解多維稀疏信號恢復問題，包括：通過匹配投影與殘差更新步驟估計固定稀疏度下的cvr矩陣，并通過迭代自適應更新稀疏度，得到最終最接近真實cvr矩陣h的估計結果其中，匹配投影步驟表示為：
13、
14、其中，ores表示殘差觀測分量；殘差更新步驟為：
15、
16、其中γ表示當前所估計的矩陣支撐集，與表示張量φ與當前估計結果的變形矩陣，為字典的克羅內克積。
17、進一步的，通過迭代自適應更新稀疏度時，在固定稀疏度下進行信號恢復，基于內層的輸出結果對稀疏度進行更新。
18、進一步的，基于cvr矩陣h的估計結果實現聯合用戶活躍性檢測、pca檢測與信達去污，包括以下步驟：
19、根據所估計的每個用戶的cvr矩陣的功率實現用戶活躍性檢測，得到估計的lu活躍性指示向量：
20、
21、其中，表示功率閾值，得到估計的活躍lu集合
22、進行pca檢測，篩選有效路徑集合其中，表示估計的lun在時隙t處的cvr，表示功率閾值，得到估計的lu攻擊狀態指示向量：
23、
24、并得到估計的被攻擊的lu集合<本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種基于信道去污的大規模接入導頻污染攻擊對抗方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的基于信道去污的大規模接入導頻污染攻擊對抗方法，其特征在于，所述傳輸系統包括一個具備M根天線的基站、N個單天線的LU和多個PCA攻擊者；假設每個LU產生零星流量且位置固定，PCA攻擊者能隨機發動攻擊并位置可變；LU索引集表示為基站天線索引集表示為每個LU分配一個導頻序列sn，長度為C；假設多個PCA攻擊者通過發送與活躍LU相同的導頻序列進行攻擊，對LU的信道信息進行污染；在時隙t基站接收到的來自所有活躍LU與PCA攻擊者的導頻信號用信道模型Yt＝GtS+G′tS+Wt表示，其中Gt與G′t分別表示LU與攻擊者的信道矩陣，S表示導頻矩陣，Wt表示噪聲。
3.根據權利要求2所述的基于信道去污的大規模接入導頻污染攻擊對抗方法，其特征在于，所述信道模型Yt＝GtS+G′tS+Wt中，信道矩陣表示為其中二維指示變量與分別表示LUn的激活狀態與被攻擊狀態，與分別表示LUn在時隙t的信道矩陣，以及在時隙t攻擊LUn的攻擊者的信道矩陣；信道信息由D個信道抽頭構成，即表示
4.根據權利要求2所述的基于信道去污的大規模接入導頻污染攻擊對抗方法，其特征在于，構建多時隙構成的三維傳輸模型為：Y{：，：，t}＝BH{：,：，t}FS+Wt，t＝1，…，T，其中Y{：，：，t}＝Yt表示時隙t的接收信號，表示時隙t的統一CVR矩陣，其中表示LUn在時隙t分別處于被攻擊、安全、空閑狀態下的CVR，其中與表示在時隙t處于活躍與被攻擊狀態的LU集合；LU的激活狀態在T個時隙內保持不變，對于安全狀態下的用戶LUn，所述CVR具有時間相關性。
5.根據權利要求1所述的基于信道去污的大規模接入導頻污染攻擊對抗方法，其特征在于，采用基于多維字典的稀疏度自適應匹配追蹤算法進行求解多維稀疏信號恢復問題，包括：通過匹配投影與殘差更新步驟估計固定稀疏度下的CVR矩陣，并通過迭代自適應更新稀疏度，得到最終最接近真實CVR矩陣H的估計結果其中，匹配投影步驟表示為：
6.根據權利要求5所述的基于信道去污的大規模接入導頻污染攻擊對抗方法，其特征在于，通過迭代自適應更新稀疏度時，在固定稀疏度s下進行信號恢復，基于內層的輸出結果對稀疏度s進行更新。
7.根據權利要求1所述的基于信道去污的大規模接入導頻污染攻擊對抗方法，其特征在于，基于CVR矩陣H的估計結果實現聯合用戶活躍性檢測、PCA檢測與信達去污，包括以下步驟：
8.一種通信系統，其特征在于，包括一個具備M根天線的基站、N個單天線的LU和多個PCA攻擊者；每個LU產生零星流量且位置固定，PCA攻擊者能隨機發動攻擊并位置可變；LU索引集表示為基站天線索引集表示為每個LU分配一個導頻序列sn，長度為C；假設多個PCA攻擊者通過發送與活躍LU相同的導頻序列進行攻擊，對LU的信道信息進行污染；在時隙t基站接收到的來自所有活躍LU與PCA攻擊者的導頻信號用信道模型Yt＝GtS+G′tS+Wt表示，其中Gt與G′t分別表示LU與攻擊者的信道矩陣，S表示導頻矩陣，Wt表示噪聲；基于權利要求1-6任一項所述基于信道去污的大規模接入導頻污染攻擊對抗方法進行通信。
9.一種計算機設備，其特征在于，包括處理器以及存儲器，存儲器用于存儲計算機可執行程序，處理器從存儲器中讀取所述計算機可執行程序并執行，處理器執行計算可執行程序時能實現權利要求1-7任一項所述基于信道去污的大規模接入導頻污染攻擊對抗方法。
10.一種計算機可讀存儲介質，其特征在于，計算機可讀存儲介質中存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執行時，能實現如權利要求1-7任一項所述的基于信道去污的大規模接入導頻污染攻擊對抗方法。
...【技術特征摘要】
1.一種基于信道去污的大規模接入導頻污染攻擊對抗方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的基于信道去污的大規模接入導頻污染攻擊對抗方法，其特征在于，所述傳輸系統包括一個具備m根天線的基站、n個單天線的lu和多個pca攻擊者；假設每個lu產生零星流量且位置固定，pca攻擊者能隨機發動攻擊并位置可變；lu索引集表示為基站天線索引集表示為每個lu分配一個導頻序列sn，長度為c；假設多個pca攻擊者通過發送與活躍lu相同的導頻序列進行攻擊，對lu的信道信息進行污染；在時隙t基站接收到的來自所有活躍lu與pca攻擊者的導頻信號用信道模型yt＝gts+g′ts+wt表示，其中gt與g′t分別表示lu與攻擊者的信道矩陣，s表示導頻矩陣，wt表示噪聲。
3.根據權利要求2所述的基于信道去污的大規模接入導頻污染攻擊對抗方法，其特征在于，所述信道模型yt＝gts+g′ts+wt中，信道矩陣表示為其中二維指示變量與分別表示lun的激活狀態與被攻擊狀態，與分別表示lun在時隙t的信道矩陣，以及在時隙t攻擊lun的攻擊者的信道矩陣；信道信息由d個信道抽頭構成，即表示抽頭d處的信道信息，采用幾何信道模型表示，其中l表示散射體個數，表示lun在時隙t第l條路徑的信道增益，θn，l表示第l條路徑的物理aoa，a(θn，l)表示天線陣列響應，τn，l表示路徑l的時延，ts表示采樣周期，f(τ)表示采樣脈沖；引入cvr描述毫米波信道的稀疏特性，則表示為其中b表示虛擬aoa字典，f[d]表示時延字典，表示lun在時隙t的cvr矩陣，cvr矩陣在角度-時延域具有稀疏特性；相應的對于攻擊lun的攻擊者，該信道信息表示為其中，表示在時隙t攻擊lun的攻擊者的cvr矩陣。
4.根據權利要求2所述的基于信道去污的大規模接入導頻污染攻擊對抗方法，其特征在于，構建多時隙構成的三維傳輸模型為：y{：，：，t}＝bh{：,：，t}fs+wt，t＝1，…，t，其中y{：，：，t}＝yt表示時隙t的接收信號，表示時隙t的統一cvr矩陣，其中表示lun在時隙t分別處于被攻擊、安全、空閑狀態下的cvr，其中與表示在時隙t處于活躍與被攻擊狀態...
【專利技術屬性】
技術研發人員：王熠晨，王奕欣，王弢，王璋楠，
申請(專利權)人：西安交通大學，
類型：發明
國別省市：
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