面向V2N超可靠低时延通信服务的哈希安全接入方法及系统与流程

面向v2n超可靠低时延通信服务的哈希安全接入方法及系统
技术领域
1.本发明涉及到无线通信领域，特别涉及面向v2n超可靠低时延通信服务的哈希安全接入方法及系统。


背景技术：

2.随着无线通信技术日益发展，一方面，v2n通信网络对高可靠、低时延的性能需求增加；另一方面，无线信道的广播特性带来的安全风险与日俱增。无线接入安全作为无线通信的第一道安全防线，广泛采用基于高层密码加密解密体制的安全防护机制来保护接入过程中产生的无线数据。但是，随着量子计算机技术的发展，该机制面临被破译的风险，而与此同时，后量子密码技术体系尚未成熟，无线接入面临的安全威胁急剧增加，因而需要采用更为先进的底层信息编码技术来保障无线接入过程中数据的安全性。
3.研究v2n通信系统无线接入过程中可防范导频攻击的无线安全接入机制。导频是v2n无线接入的重要保障，通过收发端的导频共享机制，系统可以通过测量导频信号来精准获取接入过程中激活的接入设备的身份，从而保障正常无线接入。现有的导频共享机制是建立在公共已知导频的基础上，是公开的、确定性的。因此，这些导频信号可被攻击者获知，当攻击者获悉合法收发机的帧同步信息和导频信息后，可精准发动导频攻击，通过与某一合法用户同步地发送特定的导频信号，进而干扰合法收发机配对之间的导频共享机制,进一步瘫痪无线接入过程中的无线数据传输服务。通过对随机导频信息进行编码可以有效地对抗攻击，现有研究大都采用子载波编码的方式来携带和传递导频信息。但是，这些研究中，导频编解码大都采用具有确定性编码结构的编解码方式，安全性能受限。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种面向v2n超可靠低时延通信服务的哈希安全接入方法及系统，以解决上述问题。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.面向v2n超可靠低时延通信服务的哈希安全接入方法，包括以下步骤：
7.步骤1，建立系统模型：多个处于通信激活状态的车辆采用随机导频上行接入到基站，主动攻击者采取混合攻击模式，混合攻击模式包括：部分频带干扰合法用户的接入、全频带干扰合法用户的接入和保持静默；
8.步骤2，为了降低攻击对上行接入的干扰并且保障合法车辆设备的正常接入，需要在码频域构建导频编解码技术，通过对各个子载波激活模式的编码，使得子载波的激活模式可以承载导频信息，从而构建基于信号特征的哈希编解码准则。
9.进一步的，步骤1中，系统模型中，k个激活的上行车载设备,一个基站和一个导频感知攻击者，共产生k 1个上行通信链路，分别为上行车载设备
→
基站，导频感知攻击者
→
基站；基站拥有n
t
根天线，激活的上行车载设备和导频感知攻击者均为单天线；频域上，每条上行链路的每根天线在每个ofdm符号内都同时占用n个子载波；每个激活的上行车载设
备随机在不同的频点上发射随机导频信号，导频感知攻击者随机在不同的频点上发射随机导频信号，第i个子载波上的的导频信号为其中，ρ
a
为其导频发射功率，表示第k个ofdm符号时间第i个子载波上的导频相位，不同频点上子载波激活模式遵循混合攻击模式。
10.进一步的，导频信号配置为：在第k个ofdm符号期间，第m个激活的上行车载设备在第i个子载波上的的导频信号为其中,ρ
l,m
为其导频发射功率，φ
k,m
表示第k个ofdm符号时间内的导频相位，不同频点上子载波激活模式遵循哈希编码方式。
11.进一步的，步骤2中，k 2个ofdm符号时间，k表示用户个数；对任意单个子载波上收到的信号进行能量检测，通过配置检测阈值，实现每个子载波上精准的信号个数检测，若存在信号，则该子载波被编码为1，反之则为0；根据得到的二进制编码，得到二元码字向量集合为：s1＝{s1＝[s
1,m
]|s
1,m
∈{0,1},1≤m≤l
s
}，其中，s
1,m
表示第m个二元码字单元；l
s
表示码字的长度，同理，得到m 1元码字向量集合s2＝{s2|s
2,m
∈{0,
…
,m},1≤m≤l
s
}，s
2,m
表示第m个m 1元码字单元；
[0012]
建立码频域为：其中b表示码字s对应频域的位置，其中n表示占用的子载波个数；得到n
×
c的二元码本c＝[c
i,j
]，码本中第i个码字定义为c
i
＝[c
1,i l c
n,i
]
t
；
[0013]
构建基于信号特征的哈希编解码准则，具体包括编码准则和解码准则。
[0014]
进一步的，步骤2中，
[0015]
编码准则：一个n
×
c的二元码本c＝[b
i,j
]被称之为哈希编码矩阵，该矩阵的生成方法如下：
[0016]
3)任何一个随机导频经由k个哈希函数f1,k,f
k
映射为一个权重为k的二元码字列向量。
[0017]
4)遍历c个随机导频，经过码字加扰，生成c个二元码字，共同组成一个二元码本矩阵c；
[0018]
首先，将c均匀的划分为k个子码本，表示为c
i
,1≤i≤k，其次，表征第i个上行车载设备采用的子载波激活模式为b
i
∈c
i
,攻击者采用的子载波激活模式为c,那么，对于此k 1个节点产生的信号产生的叠加现象，将其刻画为：
[0019]
b1∨l∨b
k
＝b
s,k
,b
s,k
∨c＝b
i
[0020]
并且
[0021]
m1 l m
k
＝m
s,k
,m
s,k
c＝m
i
[0022]
其中，b
s,k
,m
s,k
代表k个节点产生的独立的子载波激活模式的相互叠加；c是攻击者采用的子载波激活模式，满足：
[0023][0024]
b
i
,m
i
则是接收机最终唯一能获得的两种编码；所有可能的列向量b
s,k
组成了一个
码字矩阵b
k
，也为b
s,k
是b
k
的某一列向量；同理，对于b
k
中任何一个列向量码字，都能唯一的分解为一组码字b
i
,1≤i≤k。
[0025]
进一步的，步骤2中，
[0026]
解码准则：解码流程如下：
[0027]
1)遍历n个子载波，通过每个子载波上信号相互内积获得一个差分编码矩阵d＝[d
j∈[1,n]
]，其中，d
j
＝[d
1,j l d
n,j
]；具体方法为：对于1≤j≤n，以第j个子载波为参考子载波，通过信号差分内积技术提取相邻子载波间不同设备信号独立性特征，得到二元码字d
j
；
[0028]
2)从三种攻击类型中识别出当前所遇到的攻击类型；
[0029]
3)根据识别的攻击类型进行解码。
[0030]
进一步的，步骤2)具体流程分为：
[0031]
负载检测：1.基站规定一个集合内的所有车载设备均上行接入基站。2.基站通过广播发送寻呼信息给车载设备，每一个车载设备根据接收到的寻呼信息决定是否接入基站，具体的原则为：只要该车载用户位于集合内，则车载设备接入，否则，车载设备不接入。
[0032]
判断b
i
,d中所有元素是否为1，若成立，则表明全频带攻击发生，输出码字b
i
；否则，执行下一步操作；
[0033]
判断b
i
是否是b
k
的某一列向量，若否，部分频带攻击发生，输出码字b
i
，若是，则继续执行下一步操作；
[0034]
若存在m
i
＝m
s,k
则知道攻击者当前保持静默状态，输出码字b
s,k
，否则，判决当前发生部分频带攻击，输出码字b
i
。
[0035]
进一步的，步骤3)具体流程分为：
[0036]
不论攻击模式是全频带攻击、部分频带攻击还是保持静默，根据集合内的设备，基站直接解码b
i
，识别导频的错误概率p满足：
[0037]
p＝p
k 1
[0038]
其中，n
e
为子载波个数，k为哈希函数个数，k为车载设备个数。
[0039]
进一步的，面向v2n超可靠低时延通信服务的哈希安全接入系统，包括：
[0040]
系统模型建立模块，用于多个处于通信激活状态的车辆采用随机导频上行接入到基站，主动攻击者采取混合攻击模式，混合攻击模式包括：部分频带干扰合法用户的接入、全频带干扰合法用户的接入和保持静默；
[0041]
编解码模块，用于通过对各个子载波激活模式的编码，创建了码频域，构建基于信号特征的哈希编解码准则。
[0042]
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
[0043]
本发明首次成功将哈希编码这一概率性编码结构引入车载设备的上行无线接入过程。核心在于：车载设备需要对承载车载导频信号的子载波的激活模式进行哈希编码；基站作为接收端需要借助导频信号特征来增强哈希解码过程，从而精确地恢复出车载设备所发射的导频信号。本质上，攻击会对无线接入产生不确定性的影响，然而哈希编码技术本身就是一种概率性编码结构，对不确定性的干扰可以表现出良好的统计鲁棒性。所提的哈希
编解码方案可以在概率域最小化攻击对导频信号的影响，最终提升攻击环境下车载设备无线接入的可靠性。
附图说明
[0044]
图1是系统模型图。
[0045]
图2是编码框架图。
[0046]
图3是解码框架图。
具体实施方式
[0047]
以下结合附图对本发明进一步说明：
[0048]
本发明每一个车载设备指定的原有导频信号现在被随机化、编码为子载波激活模式(sap)，这些被编码的sap，尽管会被恶意信号掩盖并且在无线环境中彼此重叠、互相干扰，却仍然可以被分离、识别、可靠地解码为码字并且最终转化为对应的导频信号，从而保证车载设备安全接入。本发明构建了基于信号特征的哈希编码技术，建立了哈希编解码框架，提出了负载检测机制，基于检测的车载设备身份，能够以较高概率识别合法车载设备的接入。本发明通过基于信号特征的哈希编码的支持,能够从概率域最小化攻击行为的影响。
[0049]
图1给出的系统模型图，考虑k个激活的上行车载设备,一个基站和一个导频感知攻击者，共产生k 1个上行通信链路，分别为上行车载设备
→
基站，导频感知攻击者
→
基站；基站拥有n
t
根天线，激活的上行车载设备和导频感知攻击者均为单天线；频域上，每条上行链路的每根天线在每个ofdm符号内都同时占用n个子载波。每个激活的上行车载设备随机在不同的频点上发射随机导频信号，导频信号配置为：在第k个ofdm符号期间，第m个激活的上行车载设备在第i个子载波上的的导频信号为其中,ρ
l,m
为其导频发射功率，φ
k,m
表示第k个ofdm符号时间内的导频相位，不同频点上子载波激活模式遵循哈希编码技术的编码方式；导频感知攻击者随机在不同的频点上发射随机导频信号，第i个子载波上的的导频信号为其中，ρ
a
为其导频发射功率，表示第k个ofdm符号时间第i个子载波上的导频相位，不同频点上子载波激活模式遵循混合攻击模式。
[0050]
图2给出了所提编码框架图，包括如下步骤：
[0051]
step 1:考虑k 2个ofdm符号时间，k表示用户个数；对任意单个子载波上收到的信号进行能量检测，通过配置检测阈值，实现每个子载波上精准的信号个数检测，若存在信号，则该子载波被编码为1，反之则为0；根据得到的二进制编码，得到二元码字向量集合为：s1＝{s1＝[s
1,m
]|s
1,m
∈{0,1},1≤m≤l
s
}，其中，s
1,m
表示第m个二元码字单元；l
s
表示码字的长度，同理，得到m 1元码字向量集合s2＝{s2|s
2,m
∈{0,
…
,m},1≤m≤l
s
}，s
2,m
表示第m个m 1元码字单元；
[0052]
建立码频域为：其中b表示码字s对应频域的位置，其中n表示占用的子载波个数；得到n
×
c的二元码本c＝[c
i,j
]，码本中第i个码字定义为c
i
＝[c
1,i l c
n,i
]
t
；
[0053]
step 2:构建基于信号特征的哈希编码技术准则，具体可包括编码准则和解码准则。
[0054]
编码准则：一个n
×
c的二元码本c＝[b
i,j
]被称之为哈希编码矩阵，该矩阵的生成方法如下：
[0055]
1)任何一个随机导频经由k个哈希函数f1,k,f
k
映射为一个权重为k的二元码字列向量。遍历c个随机导频，经过码字加扰，生成c个二元码字，共同组成一个二元码本矩阵c。
[0056]
首先，将c均匀的划分为k个子码本，表示为c
i
,1≤i≤k，其次，表征第i个上行车载设备采用的子载波激活模式为b
i
∈c
i
,攻击者采用的子载波激活模式为c,那么，对于此k 1个节点产生的信号产生的叠加现象，将其刻画为：
[0057]
b1∨l∨b
k
＝b
s,k
,b
s,k
∨c＝b
i
[0058]
并且
[0059]
m1 l m
k
＝m
s,k
,m
s,k
c＝m
i
[0060]
其中，b
s,k
,m
s,k
代表k个节点产生的独立的子载波激活模式的相互叠加；c是攻击者采用的子载波激活模式，满足：
[0061][0062]
b
i
,m
i
则是接收机最终唯一能获得的两种编码；所有可能的列向量b
s,k
组成了一个码字矩阵b
k
，也即，b
s,k
是b
k
的某一列向量；同理，对于b
k
中任何一个列向量码字，都能唯一的分解为一组码字b
i
,1≤i≤k；
[0063]
图3给出了所提解码准则：解码流程如下：
[0064]
1)遍历n个子载波，获得一个差分编码矩阵d＝[d
j∈[1,n]
]，其中，d
j
＝[d
1,j l d
n,j
]；
[0065]
2)从三种攻击类型中识别出当前所遇到的攻击类型；具体流程分为：
[0066]
i)判断b
i
,d中所有元素是否为1，若成立，则表明全频带攻击发生，输出码字b
i
；否则，执行下一步操作；
[0067]
ii)判断b
i
是否是b
k
的某一列向量，若否，部分频带攻击发生，输出码字b
i
，若是，则继续执行下一步操作
[0068]
iii)若存在m
i
＝m
s,k
则知道攻击者当前保持静默状态，输出码字b
s,k
，否则，判决当前发生部分频带攻击，输出码字b
i
；
[0069]
3)不论攻击模式是全频带攻击、部分频带攻击还是保持静默，根据集合内的设备，基站直接解码b
i
，识别导频的错误概率p满足
[0070]
p＝p
k 1
[0071]
其中，n
e
为子载波个数，k为哈希函数个数，k为车载设备个数。