一種基于球狀傳感器監聽系統的設計

江瑤

（廣州科技職業技術大學，廣東 廣州 510000）

1 引言

隨著企業之間的合作增加，視頻會議也逐漸增加，監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境的適應性，當球狀傳感器進入到復雜多樣的環境時，比如在敵人防范嚴密的基地中，由于其體積較小，可靈活運動、易于偽裝隱藏，可以防止被敵人發現。本文設計的基于球狀傳感器的監聽系統，通過主動監聽技術[1]進行可疑無線通信鏈路的監聽，適用于一些合法組織，例如政府機構、安全局、合法企業等，主要的目的就是對可疑用戶或者需要管控的會議進行監聽，同時必要情況下也可以干擾其通信。

2 系統模型

由于基站天線數量的增加，用戶在上行信道估計中使用同一組或者非正交的訓練序列，會一定程度導致基站端信道估計的結果不是本地用戶與基站間信道形成，而是受到其他用戶發送的訓練序列污染，受污染的信道估計的下行鏈路波束賦型將會對使用同一個導頻序列的終端造成持續的定向干擾，從而降低系統容量。本文設計一種基于球狀傳感器監聽系統用來對抗導頻信號污染及監聽。

基于球狀傳感器的可疑鏈路監聽和干擾系統包括一個可疑發射機S，其坐標位置為（-L,0），一個可疑接收機D，其坐標位置為（L,0），一個球狀傳感器E，其坐標位置為(xE,xY)，其中S、D均為地面上固定的節點，E為自由運動的球狀傳感器。

假設S、D 的位置均為已知，即L已知，可疑發射機發送數據信息的功率為PS，系統中被導頻信號污染的可疑信號接收裝置的功率為PD，發送干擾信號的功率為PJ，假設在系統中被導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的運動位置(xE,xY)未知，球狀傳感器E計算其最優的運動位置[2]和導頻污染信號功率PE從而實現最大的監聽速率。

記hSD為系統中含有可疑發射信號裝置傳輸到接收信號裝置的增益；記hDS為系統中含有可疑接收信號裝置傳輸到發射信號裝置的增益；記hSE為系統中可疑發射信號裝置傳輸到球狀傳感器的增益；記hES為球狀傳感器傳輸到系統中的含有可疑發射信號裝置的增益；記hJD為球狀傳感器傳輸到系統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控過程分別劃分為幾段。圖1為可疑鏈路與合法監控的傳輸級圖。

圖1 可疑鏈路與合法監控的傳輸級圖

可疑鏈路的整個傳輸過程可以分為以下三個階段：

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

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

（3）數據傳輸階段：系統如果判定沒有存在攻擊，那么可疑信號發射裝置將通過最大比來設計系統中的波束加權矢量w。以此得出的矢量可以改變傳輸到系統的信號能量分布，使得系統功率統一傳送。

球狀傳感器的整個傳輸過程可以分成導頻污染階段、發送干擾信號階段和監聽信息階段。當系統進入第三個階段時，球狀傳感器開始對系統中的可疑發射信號裝置進行監聽，如果污染信號的傳輸速率大于系統本身的，為保證數據傳輸的正確性，系統接收可疑干擾信號會發送給球狀傳感器。

將系統可疑接收信號裝置的平均信噪比定義為RE，系統中存在的合法監聽裝置的平均信噪比定義為RD，根據Wyner物理層安全的定義，如果RE≥RD，說明系統正確接收并譯碼了數據。由于在上述第三個階段時，系統發送數據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檢測到存在一種概率，將其定義為Pd，那么，球狀傳感器的監聽速率為：

3 系統模塊劃分

可疑發射機主要有三個模塊組成，分別是用來接收導頻信號的模塊、用來發送數據信號的模塊以及用來接收并計算信號功率的模塊。

可疑接收機包括ERD模塊、數據信號接收模塊、導頻信號發送模塊。導頻信號發送模塊用于在信道估計階段向可疑發射機發送導頻信號；ERD模塊用于檢測是否有其他用戶在對可疑鏈路進行導頻污染，從而防止自身的信息被竊聽，其內部包括發送信號功率計算模塊、數據接收模塊，功率比計算模塊，其中，發送信號功率計算模塊用于計算其發給可疑發射機的信號功率，并將其發送到功率比計算模塊。此外，發送信號功率計算模塊還可以發送可疑發射機在數據傳輸階段所發送的數據信息。功率比計算模塊用于接收發送信號功率計算模塊以及接收信號功率計算模塊的功率值，并計算其比值，將該比率與可疑接收器中的預設閾值進行比較，以確定接收器是否受到先導污染的攻擊。

球狀傳感器包括以下模塊：導頻信號發送模塊、干擾信號接收模塊[4]、信息監聽模塊、最優監聽性能計算模塊。導頻信號發送模塊用于球狀傳感器在導頻污染階段發送導頻信號，該球狀傳感器發送的導頻信號，為了暫時欺騙系統中可疑發射信號裝置，使得導頻信號與可疑接收信號裝置的發送信號同步，該模塊的導頻信號功率由最優監聽性能計算模塊計算得出。為保證系統達到更好的監聽狀態，使用干擾信號接收裝置對系統中的可疑信號接收裝置發送污染信號。消息監控模塊用來檢測系統中可疑發射信號裝置的傳輸數據。最優監聽性能計算模塊用于計算球狀傳感器能夠實現最優信息監聽速率所對應的導頻污染功率PE和球狀傳感器的坐標(xE,xY)，并且將結果分別發送給導頻信號發送模塊和運動模塊。運動模塊用于接收最優監聽性能計算模塊的計算結果并移動到該最優位置。

ERD 反污染嫌疑接收裝置有三個重要的數據，分別定義為：

（1）在上述第一階段中系統可疑發射信號裝置接收信號功率為Q1；

（2）系統中可疑接收信號裝置接收信號功率為Q2；

（3）將可疑接收端計算出的Q1和Q2與系統門限值進行求差分析，得到比較值。

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

可疑發射信號裝置在可疑發射信號裝置發送污染信號后利用最大比合并技術對污染信號進行預處理。

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

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

4 仿真結果及其分析

在系統中，如果球狀傳感器進一步增大導頻信號功率PE，增大導頻信號功率導致檢測概率增大，則可以確定PE和球狀傳感器坐標(xE,xY)。同時，PE應小于最大可用功率，(xE,xY)應小于球狀傳感器盡可能的坐標距離,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)進行二維搜索[7]的方式來實現最大的監聽速率。

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

圖2 Pd 隨PJ、PE 變化情況圖

5 結語

本文詳細闡述了基于球狀傳感器監聽系統的工作原理，借助仿真結果驗證文中的數理分析，系統中球狀傳感器向可疑接收機發送固定功率大小為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頻污染攻擊檢測機制ERD，從而降低其檢測效果，最終一定程度提高竊聽速率，干擾被竊聽系統的通信。