【摘 要】
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数据流量的激增和频谱资源的稀缺给5G移动通信系统带来了巨大挑战,大规模天线(Massive MIMO)、波束成形(Beamforming)等技术可以显著提高通信系统的频谱效率和容量,是5G移动通信系统重要的使能技术。然而,准确的信道信息是实现这些技术的基本前提。信道信息的获取通常采用基于导频的信道估计,但是,此过程容易受到窃听者的欺骗或干扰攻击,造成信道估计误差,不仅严重损害通信性能,还会进一步引
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数据流量的激增和频谱资源的稀缺给5G移动通信系统带来了巨大挑战,大规模天线(Massive MIMO)、波束成形(Beamforming)等技术可以显著提高通信系统的频谱效率和容量,是5G移动通信系统重要的使能技术。然而,准确的信道信息是实现这些技术的基本前提。信道信息的获取通常采用基于导频的信道估计,但是,此过程容易受到窃听者的欺骗或干扰攻击,造成信道估计误差,不仅严重损害通信性能,还会进一步引发信息泄漏等安全问题。现有针对导频攻击的检测手段存在改变导频信号结构、训练复杂度高、需要先验信息等缺陷,本文拟利用物理层认证增强导频攻击检测性能,并研究相应的导频安全防护手段,具体研究内容如下:针对时分双工(Time Division Duplexing,TDD)多天线系统中的导频欺骗攻击,提出一种多接入点辅助的物理层导频攻击检测方法。利用辅助节点测量的导频信号RSS(Reiceived Signal Strength)信息定位合法用户位置,通过建立假设检验模型将攻击检测问题转化为对用户的位置认证,还通过对接入节点的部署进行优化以提升定位及检测精度,最后基于概率论推导了成功检测概率的闭式表达式。仿真结果表明,与传统的能量检测器(ERD)、双向训练检测器(TWTD)相比,本方法可以在不改变导频信号结构、不增加训练复杂度的基础上,分别提升成功检测概率58%、25%。但是,检测性能在复杂信道环境下可能会降低。为进一步提升复杂信道环境中的导频欺骗攻击检测性能,提出一种基于改进正交导频训练的物理层导频攻击检测方法。合法用户将正交导频序列以不同功率随机插入常规导频中,增加与窃听者导频序列的差异,进而提升基站的检测能力。仿真结果表明,与传统正交导频检测方法相比,本方法可以显著提升检测准确性,在窃听者完全获知导频训练规律的最坏情况下,仍然可以达到98%的成功检测概率。为缓解导频欺骗攻击引发的信息泄漏,提出对正交导频检测和物理层安全传输进行联合优化。基站根据不同的检测结果分别设计基于最大比传输(Maximum Ratio Transmission,MRT)和迫零(Zero-forcing,ZF)波束成形的安全传输方案。本方案将检测性能纳入传输性能评估指标,为进一步满足通信系统对安全性和服务质量的要求,推导了优化的检测阈值及导频长度。仿真表明,上述参数直接影响系统的检测性能,进而影响系统传输性能。采用优化的系统参数可使系统达到最大的加权有效速率,大幅提升传输质量。
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