一种随机选择单个子信道短包隐蔽无线通信方法

1.本发明属于无线网络隐私信息安全传输技术领域，涉及一种随机选择单个子信道短包隐蔽无线通信方法。


背景技术：

2.随着技术的快速发展，越来越多的机密和敏感数据(如健康记录、身份认证等)通过无线信道传输。澳大利亚网络调查的数据“australian cyberawareness index 2019,”https://channellife.com.au/story/eset-releases-aus-tralian-cyberawareness-index-2019-results,accessed:2019-12-13表明，接近94％的调查对象都在网上进行过金融交易，包括网上银行、支付账单和网上购物，这意味着在交换敏感和私人信息方面，人们更加依赖现代无线通信系统。由此可见，无线通信系统已经渗透到我们日常生活的方方面面，其安全性和隐私性也在我们的社会中占据了无可比拟的优先地位。但是，由于无线信道的开放特性(既可以被合法用户接收，也可以被非法用户接收)，无线传输数据的安全问题一直是业界研究的重点。传统上，业界通过技术手段保护数据内容，提高无线传输的安全性。然而近年来，随着无线设备的激增和计算技术的进步，通信安全受到了较大的挑战，特别是量子计算的突破，极大地提高了潜在对手可用的计算资源，从而提高了打破传统无线信息传输的安全技术的可能性。作为传统安全机制的一种有效补充，物理层安全技术利用无线信道的衰落特性保证了信息传输的安全性，实现了香农信息论意义下的绝对安全。值得指出的是，基于传统加密和基于物理层安全的信息安全传输机制仅仅保护信息的内容不被非法的窃听节点破译，更多关注于传输信息本身的安全性，却忽视了信息传输过程的不可检测性。实际上，窃听节点进行信息破译的基础是对信息传输行为的正确检测，因此，隐藏无线传输行为可以实现更强的安全性能。并且在某些特殊场景中，比如军事指挥等场景中，不仅信息的隐私性和完整性很重要，传输信息的行为和传输者位置本身也是不能被暴露的信息。一旦监测到信息传输过程的发生，监测者可能会采取诸如全频段大功率干扰，甚至是采用物理攻击等手段破坏信息传输过程。此时，保证信息传输行为不可检测对于保护用户隐私和信息传输安全具有重要意义。
3.在此背景下，隐蔽通信又称低概率检测通信受到越来越多的学者关注。隐蔽通信旨在令无线通信信号或通信行为具有较低的检测概率，避免被敌方检测到。隐蔽无线通信的应用场景很多，尤其是在军事通信中，低检测概率信号可以避免被敌方电子侦察设备获取情报，从而使军事行动更加隐蔽。隐蔽无线通信最早可以追溯到上世纪初兴起的无线扩频通信，扩频技术在传输信息时，实际所用的带宽远大于信息本身所需要的带宽，可以使发送功率谱密度低于背景噪声，从而具有隐蔽传输的能力。然而扩频技术的隐蔽性理论机理一直没有得到严谨的证明。直到文献“limits of reliable communication with low probability of detection on awgn channels,”in ieee journal on selected areas in communications,vol.31,no.9,pp.1921
–
1930,sep.2013.首次详细研究了加性高斯白噪声(awgn)信道中隐蔽通信的基本性能界，奠定了隐蔽无线通信的信息论基础。文献“delay-intolerant covert communications with either fixed or random transmit power,”in ieee transactions on information forensics and security,vol.14,no.1,pp.129-140,jan.2019.研究了有限包长下的隐蔽无线通信。研究表明，利用监测者有限样点造成的分析误差，可以在满足隐蔽条件的基础上，可靠地给目的节点传输信息。然而，上述文献中考虑的源节点均是通过单信道系统发送信息；多信道系统由于具有传输效率高的优点，在无线通信中得到了广泛的应用。多信道系统包含多个子信道，使发射机可以选择其中一个子信道来传输信息，从而提供了另一个维度的自由度来迷惑监测者，提高通信隐蔽性。因此，在多信道系统中，挖掘多信道系统有效提升系统隐蔽速率具有重要意义，而相关的研究却未有出现过。


技术实现要素：

4.本发明提供一种随机选择单个子信道短包隐蔽无线通信方法，该方法在多信道系统中充分利用选定子信道的不确定性，来提高源节点和目的节点之间的隐蔽通信性能。
5.一种随机选择单个子信道短包隐蔽无线通信方法，包括如下步骤：
6.步骤s1：密钥交换与码本共享：在数据包传输之前，源节点与目的节点之间利用无线信道产生密钥，并利用密钥加密后共享隐私数据包编码的码本；
7.步骤s2：信息编码：源节点利用其与目的节点共享的码本对待传输的隐私信息进行编码，编码长度为n，表示源节点经过n次信道使用将含有dnats信息量的隐私信息完整的发送出去；
8.步骤s3：信息传输：源节点以最优发送功率在k个子信道中，随机选择一个子信道发送待传输的隐私信息；
9.步骤s4：信息译码：目的节点在每一个传输周期利用其与源节点共享的码本译码。
10.一种随机选择单个子信道短包隐蔽无线通信方法，系统由一对合法的收发对(源节点和目的节点)组成，另外还存在于一个监测者不断地观察环境并检测源节点是否传输信息。所有节点均配置单天线，且工作在半双工模式下。具体的说，源节点从多个子信道中，随机选择一个子信道发送信息，并且在源节点与目的节点之间共享密钥与码本；为了达到低延迟容忍的目的，发送者在每个时隙中使用有限的信道使用(例如，联网车辆、智能电表、自动化工厂等场景中，使用150左右个信道使用)进行信息传输；由于信道使用有限，监测者对信号的分析存在不可避免的误差，使得监测者在判断发送者是否发送信息时存在误判，最终达到在已知存在监测者的情况下，仍在可容忍暴露概率范围内，隐蔽传输信息的目的。
11.本发明所述的一种随机选择单个子信道短包隐蔽无线通信方法在具体操作时，源节点通过在多个子信道中随机选择子信道的方式，增加了源节点处信道选择的不确定性，进一步迷惑监测者，达到提升无线传输行为隐蔽性的目的。与单信道隐蔽传输的隐蔽无线通信方法相比，本发明能获得更高的平均有效隐蔽速率。
附图说明
12.图1是本发明随机选择单个子信道短包隐蔽无线通信方法的系统模型示意图。
具体实施方式
13.如图1所示的一种随机选择单个子信道短包隐蔽无线通信方法，系统由一对合法的收发对(源节点和目的节点)组成，另外还存在一个监测者不断地观察环境并检测源节点是否传输信息。所有节点均配置单天线，且工作在半双工模式下。具体的说，源节点从多个子信道中，选择信道系数最大的子信道发送信息，并且在源节点与目的节点之间共享密钥与码本；为了达到低延迟容忍的目的，发送者在每个时隙中使用有限的信道使用(例如，联网车辆、智能电表、自动化工厂等场景中，使用150左右个信道使用)进行信息传输；由于信道使用有限，监测者对信号的分析存在不可避免的误差，使得监测者在判断发送者是否发送信息时存在误判。
14.一种随机选择单个子信道短包隐蔽无线通信方法，包括以下步骤：
15.步骤s1：密钥交换与码本共享：在数据包传输之前，源节点与目的节点之间利用无线信道产生密钥，并利用密钥加密后共享隐私数据包编码的码本。
16.步骤s2：信息编码：源节点利用其与目的节点共享的码本对待传输的隐私信息进行编码，编码长度为n，表示源节点经过n次信道使用可以将隐私信息完整的发送出去。本发明的信道使用数量是与编码长度对应且相等的。
17.步骤s3：信息传输：源节点以最优发送功率pa在k个子信道中，随机选择一个子信道发送待传输的隐私信息。为了满足通信隐蔽性约束的条件下，最大化源节点与目的节点之间的传输速率，发送功率pa应该满足：
[0018][0019]
其中，表示最优发送功率。
[0020]
以最大化系统平均隐蔽速率为目标，系统最优的子信道数目可根据如下方程式计算得到：
[0021][0022]
其中，∈为任意小的实数，表示隐蔽通信暴露容忍值，表示监测者的最小错判概率，则描述了监测者的最小错判概率大于源节点与目的节点之间要求隐蔽的概率值(例如：暴露容忍值∈＝0.05，表示源节点的通信行为需要0.95的概率不暴露)，即为隐蔽约束(源节点通信行为隐蔽的、秘密的传输的要求)；pa＞0约束了发送功率为正值；k
max
指子信道数目能达到的最大值，k＝1,2,
…
,k
max
约束了子信道数目k为小于k
max
的正整数。
[0023]
为了求解上述优化问题，我们需要求解监测者的最小错判概率
[0024]
监测者在一个传输周期(一个时隙)结束时，需要判断源节点是否发送信息，则监测者面临的是一个二元判决。由于监测者受到的观测值有限(有限个信道使用)，因此在判断源节点通信行为时存在判断错误并且由虚警概率和漏检概率组成。不失一般性假设，通过计算可以得到：
[0025][0026]
其中，其中，表示监测者接收到的噪声方差。通过设置最优门限τ
*
得到最小的错检概率错检概率是关于τ的凸函数，可通过简单的一维搜索得到最优门限τ
*
。
[0027]
通过对优化问题的简单分析，我们发现随pa的单调增加而减少，随k的单调增加而增加；平均有效隐蔽速率η随pa的单调增加而增加，随k的单调增加而减少。因此我们可以通过二维搜索发现优化问题的解k
*
与
[0028]
到这里，我们可以知道源节点使用k
*
个子信道与的发送功率发送信息时，可以在暴露容忍度内(隐蔽)的条件下，使源节点与目的节点的传输速率最大。
[0029]
步骤s4：信息译码：目的节点在每一个传输周期,利用其与源节点共享的码本对接收信号进行译码。在每个传输周期t内，目的节点的接收信号可以表示为：
[0030][0031]
其中i＝1,2,
…
,n表示信道使用索引；xa[i]是满足均值为零、方差为1的复高斯随机变量，代表源节点第i次信道使用时发送的符号；nb[i]是满足均值为零、方差为的复高斯随机变量，代表目的节点在源节点第i次信道使用时观测到的噪声。
[0032]
目的节点在每一个传输周期利用其与源节点共享的码本译码，并且系统的平均有效隐蔽速率可以表示为：
[0033][0034]
其中，表示系统误包率，r表述传输速率，可根据如下方程式计算得到：
[0035][0036]
其中
[0037]
上述实施例的描述较为具体和详细，但仅仅表达了本发明的一种可行的实施方式，并非对本发明专利范围的限制。需要指出的是，本领域的科研人员和工程人员，在本发明的框架下，可以在本实施例的基础上加入若干变形或改进，但这些都在本发明专利的保护范围之内，本发明专利的保护范围以权利要求为准。