一種基于球狀傳感器監(jiān)聽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

江瑤

（廣州科技職業(yè)技術(shù)大學(xué)，廣東 廣州 510000）

1 引言

隨著企業(yè)之間的合作增加，視頻會議也逐漸增加，監(jiān)管會議信息也是重中之重。球狀傳感器具有較高的靈活性和對多變環(huán)境的適應(yīng)性，當(dāng)球狀傳感器進(jìn)入到復(fù)雜多樣的環(huán)境時，比如在敵人防范嚴(yán)密的基地中，由于其體積較小，可靈活運(yùn)動、易于偽裝隱藏，可以防止被敵人發(fā)現(xiàn)。本文設(shè)計(jì)的基于球狀傳感器的監(jiān)聽系統(tǒng)，通過主動監(jiān)聽技術(shù)[1]進(jìn)行可疑無線通信鏈路的監(jiān)聽，適用于一些合法組織，例如政府機(jī)構(gòu)、安全局、合法企業(yè)等，主要的目的就是對可疑用戶或者需要管控的會議進(jìn)行監(jiān)聽，同時必要情況下也可以干擾其通信。

2 系統(tǒng)模型

由于基站天線數(shù)量的增加，用戶在上行信道估計(jì)中使用同一組或者非正交的訓(xùn)練序列，會一定程度導(dǎo)致基站端信道估計(jì)的結(jié)果不是本地用戶與基站間信道形成，而是受到其他用戶發(fā)送的訓(xùn)練序列污染，受污染的信道估計(jì)的下行鏈路波束賦型將會對使用同一個導(dǎo)頻序列的終端造成持續(xù)的定向干擾，從而降低系統(tǒng)容量。本文設(shè)計(jì)一種基于球狀傳感器監(jiān)聽系統(tǒng)用來對抗導(dǎo)頻信號污染及監(jiān)聽。

基于球狀傳感器的可疑鏈路監(jiān)聽和干擾系統(tǒng)包括一個可疑發(fā)射機(jī)S，其坐標(biāo)位置為（-L,0），一個可疑接收機(jī)D，其坐標(biāo)位置為（L,0），一個球狀傳感器E，其坐標(biāo)位置為(xE,xY)，其中S、D均為地面上固定的節(jié)點(diǎn)，E為自由運(yùn)動的球狀傳感器。

假設(shè)S、D 的位置均為已知，即L已知，可疑發(fā)射機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)信息的功率為PS，系統(tǒng)中被導(dǎo)頻信號污染的可疑信號接收裝置的功率為PD，發(fā)送干擾信號的功率為PJ，假設(shè)在系統(tǒng)中被導(dǎo)頻信號污染或者檢測的球狀傳感器的功率PE暫時未知，球狀傳感器E的運(yùn)動位置(xE,xY)未知，球狀傳感器E計(jì)算其最優(yōu)的運(yùn)動位置[2]和導(dǎo)頻污染信號功率PE從而實(shí)現(xiàn)最大的監(jiān)聽速率。

記hSD為系統(tǒng)中含有可疑發(fā)射信號裝置傳輸?shù)浇邮招盘栄b置的增益；記hDS為系統(tǒng)中含有可疑接收信號裝置傳輸?shù)桨l(fā)射信號裝置的增益；記hSE為系統(tǒng)中可疑發(fā)射信號裝置傳輸?shù)角驙顐鞲衅鞯脑鲆妫挥沨ES為球狀傳感器傳輸?shù)较到y(tǒng)中的含有可疑發(fā)射信號裝置的增益；記hJD為球狀傳感器傳輸?shù)较到y(tǒng)中的可疑接收信號裝置的增益。

為了更好地描述整個傳輸階段，將可疑鏈路(可疑發(fā)信方與可疑接收方之間的通道)的整個通信過程和整個合法監(jiān)控過程分別劃分為幾段。圖1為可疑鏈路與合法監(jiān)控的傳輸級圖。

圖1 可疑鏈路與合法監(jiān)控的傳輸級圖

可疑鏈路的整個傳輸過程可以分為以下三個階段：

（1）信道估計(jì)階段：系統(tǒng)中可疑信號發(fā)射裝置在接收到污染信號后開始進(jìn)行對接可疑接收信號裝置的信道距離估算。

（2）反導(dǎo)頻污染階段[3]：在上述階段完成后，系統(tǒng)中可疑接收信號裝置利用計(jì)算系統(tǒng)中可疑發(fā)送信號裝置與可疑接收信號裝置的功率差值和系統(tǒng)檢測門限值進(jìn)行差值比較，以此來判定系統(tǒng)中是否遭受污染信號的攻擊。

（3）數(shù)據(jù)傳輸階段：系統(tǒng)如果判定沒有存在攻擊，那么可疑信號發(fā)射裝置將通過最大比來設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的波束加權(quán)矢量w。以此得出的矢量可以改變傳輸?shù)较到y(tǒng)的信號能量分布，使得系統(tǒng)功率統(tǒng)一傳送。

球狀傳感器的整個傳輸過程可以分成導(dǎo)頻污染階段、發(fā)送干擾信號階段和監(jiān)聽信息階段。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入第三個階段時，球狀傳感器開始對系統(tǒng)中的可疑發(fā)射信號裝置進(jìn)行監(jiān)聽，如果污染信號的傳輸速率大于系統(tǒng)本身的，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，系統(tǒng)接收可疑干擾信號會發(fā)送給球狀傳感器。

將系統(tǒng)可疑接收信號裝置的平均信噪比定義為RE，系統(tǒng)中存在的合法監(jiān)聽裝置的平均信噪比定義為RD，根據(jù)Wyner物理層安全的定義，如果RE≥RD，說明系統(tǒng)正確接收并譯碼了數(shù)據(jù)。由于在上述第三個階段時，系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)只存在于無法檢測到污染信號時，所以球狀傳感器能否被系統(tǒng)檢測到存在一種概率，將其定義為Pd，那么，球狀傳感器的監(jiān)聽速率為：

3 系統(tǒng)模塊劃分

可疑發(fā)射機(jī)主要有三個模塊組成，分別是用來接收導(dǎo)頻信號的模塊、用來發(fā)送數(shù)據(jù)信號的模塊以及用來接收并計(jì)算信號功率的模塊。

可疑接收機(jī)包括ERD模塊、數(shù)據(jù)信號接收模塊、導(dǎo)頻信號發(fā)送模塊。導(dǎo)頻信號發(fā)送模塊用于在信道估計(jì)階段向可疑發(fā)射機(jī)發(fā)送導(dǎo)頻信號；ERD模塊用于檢測是否有其他用戶在對可疑鏈路進(jìn)行導(dǎo)頻污染，從而防止自身的信息被竊聽，其內(nèi)部包括發(fā)送信號功率計(jì)算模塊、數(shù)據(jù)接收模塊，功率比計(jì)算模塊，其中，發(fā)送信號功率計(jì)算模塊用于計(jì)算其發(fā)給可疑發(fā)射機(jī)的信號功率，并將其發(fā)送到功率比計(jì)算模塊。此外，發(fā)送信號功率計(jì)算模塊還可以發(fā)送可疑發(fā)射機(jī)在數(shù)據(jù)傳輸階段所發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。功率比計(jì)算模塊用于接收發(fā)送信號功率計(jì)算模塊以及接收信號功率計(jì)算模塊的功率值，并計(jì)算其比值，將該比率與可疑接收器中的預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，以確定接收器是否受到先導(dǎo)污染的攻擊。

球狀傳感器包括以下模塊：導(dǎo)頻信號發(fā)送模塊、干擾信號接收模塊[4]、信息監(jiān)聽模塊、最優(yōu)監(jiān)聽性能計(jì)算模塊。導(dǎo)頻信號發(fā)送模塊用于球狀傳感器在導(dǎo)頻污染階段發(fā)送導(dǎo)頻信號，該球狀傳感器發(fā)送的導(dǎo)頻信號，為了暫時欺騙系統(tǒng)中可疑發(fā)射信號裝置，使得導(dǎo)頻信號與可疑接收信號裝置的發(fā)送信號同步，該模塊的導(dǎo)頻信號功率由最優(yōu)監(jiān)聽性能計(jì)算模塊計(jì)算得出。為保證系統(tǒng)達(dá)到更好的監(jiān)聽狀態(tài)，使用干擾信號接收裝置對系統(tǒng)中的可疑信號接收裝置發(fā)送污染信號。消息監(jiān)控模塊用來檢測系統(tǒng)中可疑發(fā)射信號裝置的傳輸數(shù)據(jù)。最優(yōu)監(jiān)聽性能計(jì)算模塊用于計(jì)算球狀傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)信息監(jiān)聽速率所對應(yīng)的導(dǎo)頻污染功率PE和球狀傳感器的坐標(biāo)(xE,xY)，并且將結(jié)果分別發(fā)送給導(dǎo)頻信號發(fā)送模塊和運(yùn)動模塊。運(yùn)動模塊用于接收最優(yōu)監(jiān)聽性能計(jì)算模塊的計(jì)算結(jié)果并移動到該最優(yōu)位置。

ERD 反污染嫌疑接收裝置有三個重要的數(shù)據(jù)，分別定義為：

（1）在上述第一階段中系統(tǒng)可疑發(fā)射信號裝置接收信號功率為Q1；

（2）系統(tǒng)中可疑接收信號裝置接收信號功率為Q2；

（3）將可疑接收端計(jì)算出的Q1和Q2與系統(tǒng)門限值進(jìn)行求差分析，得到比較值。

球狀傳感器通過向系統(tǒng)中可疑接收信號裝置發(fā)送干擾信號來降低系統(tǒng)中導(dǎo)頻污染的攻擊。

可疑發(fā)射信號裝置在可疑發(fā)射信號裝置發(fā)送污染信號后利用最大比合并技術(shù)對污染信號進(jìn)行預(yù)處理。

我們把平均功率的比值Q2/Q1定義為事件T，γ是預(yù)先給定的門限值[5]，如果T＜γ，系統(tǒng)中可疑接收信號裝置會判定球狀傳感器正在向系統(tǒng)進(jìn)行信號污染。

在球狀傳感器的干擾攻擊的作用下，導(dǎo)頻污染攻擊被ERD 檢測到的概率為Pd，Pd=Pr(T＜γ|H1)。根據(jù)Pd和球狀傳感器監(jiān)聽速率CE的關(guān)系[6]，由此知道了導(dǎo)頻污染功率PE和球狀傳感器（即球狀傳感器）的坐標(biāo)(xE,xY)之間的關(guān)系。球狀傳感器E 發(fā)送導(dǎo)頻污染信號功率PE的增大，降低了RD同時增大了球狀傳感器的信噪比RE。

4 仿真結(jié)果及其分析

在系統(tǒng)中，如果球狀傳感器進(jìn)一步增大導(dǎo)頻信號功率PE，增大導(dǎo)頻信號功率導(dǎo)致檢測概率增大，則可以確定PE和球狀傳感器坐標(biāo)(xE,xY)。同時，PE應(yīng)小于最大可用功率，(xE,xY)應(yīng)小于球狀傳感器盡可能的坐標(biāo)距離,同時還需要滿足可疑接收器信息速率小于球狀傳感器信息速率,因此，通過對PE和(xE,xY)進(jìn)行二維搜索[7]的方式來實(shí)現(xiàn)最大的監(jiān)聽速率。

利用Matlab 仿真結(jié)果可以驗(yàn)證文中公式PE、PJ的關(guān)系，可以得到結(jié)論：給定確認(rèn)的PJ，再增加PE，系統(tǒng)的平均竊聽速率會先增加再減少。圖2表明導(dǎo)頻污染信號是可以一定程度提高系統(tǒng)合法竊聽情況下的竊聽速率同時還可以增加ERD對導(dǎo)頻污染信號的檢測速率，以此來降低可疑鏈路對系統(tǒng)合法竊聽狀態(tài)下的檢測性能。

圖2 Pd 隨PJ、PE 變化情況圖

5 結(jié)語

本文詳細(xì)闡述了基于球狀傳感器監(jiān)聽系統(tǒng)的工作原理，借助仿真結(jié)果驗(yàn)證文中的數(shù)理分析，系統(tǒng)中球狀傳感器向可疑接收機(jī)發(fā)送固定功率大小為PJ的干擾信號，縮短距離dED，可以增大功率Q2，增大了Q2與Q1的比值，降低了系統(tǒng)檢測到球狀傳感器的概率，證明該干擾信號能夠有效對抗導(dǎo)頻污染攻擊檢測機(jī)制ERD，從而降低其檢測效果，最終一定程度提高竊聽速率，干擾被竊聽系統(tǒng)的通信。