一种基于球状传感器监听系统的设计

江瑶

（广州科技职业技术大学，广东 广州 510000）

1 引言

随着企业之间的合作增加，视频会议也逐渐增加，监管会议信息也是重中之重。球状传感器具有较高的灵活性和对多变环境的适应性，当球状传感器进入到复杂多样的环境时，比如在敌人防范严密的基地中，由于其体积较小，可灵活运动、易于伪装隐藏，可以防止被敌人发现。本文设计的基于球状传感器的监听系统，通过主动监听技术[1]进行可疑无线通信链路的监听，适用于一些合法组织，例如政府机构、安全局、合法企业等，主要的目的就是对可疑用户或者需要管控的会议进行监听，同时必要情况下也可以干扰其通信。

2 系统模型

由于基站天线数量的增加，用户在上行信道估计中使用同一组或者非正交的训练序列，会一定程度导致基站端信道估计的结果不是本地用户与基站间信道形成，而是受到其他用户发送的训练序列污染，受污染的信道估计的下行链路波束赋型将会对使用同一个导频序列的终端造成持续的定向干扰，从而降低系统容量。本文设计一种基于球状传感器监听系统用来对抗导频信号污染及监听。

基于球状传感器的可疑链路监听和干扰系统包括一个可疑发射机S，其坐标位置为（-L,0），一个可疑接收机D，其坐标位置为（L,0），一个球状传感器E，其坐标位置为(xE,xY)，其中S、D均为地面上固定的节点，E为自由运动的球状传感器。

假设S、D 的位置均为已知，即L已知，可疑发射机发送数据信息的功率为PS，系统中被导频信号污染的可疑信号接收装置的功率为PD，发送干扰信号的功率为PJ，假设在系统中被导频信号污染或者检测的球状传感器的功率PE暂时未知，球状传感器E的运动位置(xE,xY)未知，球状传感器E计算其最优的运动位置[2]和导频污染信号功率PE从而实现最大的监听速率。

记hSD为系统中含有可疑发射信号装置传输到接收信号装置的增益；记hDS为系统中含有可疑接收信号装置传输到发射信号装置的增益；记hSE为系统中可疑发射信号装置传输到球状传感器的增益；记hES为球状传感器传输到系统中的含有可疑发射信号装置的增益；记hJD为球状传感器传输到系统中的可疑接收信号装置的增益。

为了更好地描述整个传输阶段，将可疑链路(可疑发信方与可疑接收方之间的通道)的整个通信过程和整个合法监控过程分别划分为几段。图1为可疑链路与合法监控的传输级图。

图1 可疑链路与合法监控的传输级图

可疑链路的整个传输过程可以分为以下三个阶段：

（1）信道估计阶段：系统中可疑信号发射装置在接收到污染信号后开始进行对接可疑接收信号装置的信道距离估算。

（2）反导频污染阶段[3]：在上述阶段完成后，系统中可疑接收信号装置利用计算系统中可疑发送信号装置与可疑接收信号装置的功率差值和系统检测门限值进行差值比较，以此来判定系统中是否遭受污染信号的攻击。

（3）数据传输阶段：系统如果判定没有存在攻击，那么可疑信号发射装置将通过最大比来设计系统中的波束加权矢量w。以此得出的矢量可以改变传输到系统的信号能量分布，使得系统功率统一传送。

球状传感器的整个传输过程可以分成导频污染阶段、发送干扰信号阶段和监听信息阶段。当系统进入第三个阶段时，球状传感器开始对系统中的可疑发射信号装置进行监听，如果污染信号的传输速率大于系统本身的，为保证数据传输的正确性，系统接收可疑干扰信号会发送给球状传感器。

将系统可疑接收信号装置的平均信噪比定义为RE，系统中存在的合法监听装置的平均信噪比定义为RD，根据Wyner物理层安全的定义，如果RE≥RD，说明系统正确接收并译码了数据。由于在上述第三个阶段时，系统发送数据只存在于无法检测到污染信号时，所以球状传感器能否被系统检测到存在一种概率，将其定义为Pd，那么，球状传感器的监听速率为：

3 系统模块划分

可疑发射机主要有三个模块组成，分别是用来接收导频信号的模块、用来发送数据信号的模块以及用来接收并计算信号功率的模块。

可疑接收机包括ERD模块、数据信号接收模块、导频信号发送模块。导频信号发送模块用于在信道估计阶段向可疑发射机发送导频信号；ERD模块用于检测是否有其他用户在对可疑链路进行导频污染，从而防止自身的信息被窃听，其内部包括发送信号功率计算模块、数据接收模块，功率比计算模块，其中，发送信号功率计算模块用于计算其发给可疑发射机的信号功率，并将其发送到功率比计算模块。此外，发送信号功率计算模块还可以发送可疑发射机在数据传输阶段所发送的数据信息。功率比计算模块用于接收发送信号功率计算模块以及接收信号功率计算模块的功率值，并计算其比值，将该比率与可疑接收器中的预设阈值进行比较，以确定接收器是否受到先导污染的攻击。

球状传感器包括以下模块：导频信号发送模块、干扰信号接收模块[4]、信息监听模块、最优监听性能计算模块。导频信号发送模块用于球状传感器在导频污染阶段发送导频信号，该球状传感器发送的导频信号，为了暂时欺骗系统中可疑发射信号装置，使得导频信号与可疑接收信号装置的发送信号同步，该模块的导频信号功率由最优监听性能计算模块计算得出。为保证系统达到更好的监听状态，使用干扰信号接收装置对系统中的可疑信号接收装置发送污染信号。消息监控模块用来检测系统中可疑发射信号装置的传输数据。最优监听性能计算模块用于计算球状传感器能够实现最优信息监听速率所对应的导频污染功率PE和球状传感器的坐标(xE,xY)，并且将结果分别发送给导频信号发送模块和运动模块。运动模块用于接收最优监听性能计算模块的计算结果并移动到该最优位置。

ERD 反污染嫌疑接收装置有三个重要的数据，分别定义为：

（1）在上述第一阶段中系统可疑发射信号装置接收信号功率为Q1；

（2）系统中可疑接收信号装置接收信号功率为Q2；

（3）将可疑接收端计算出的Q1和Q2与系统门限值进行求差分析，得到比较值。

球状传感器通过向系统中可疑接收信号装置发送干扰信号来降低系统中导频污染的攻击。

可疑发射信号装置在可疑发射信号装置发送污染信号后利用最大比合并技术对污染信号进行预处理。

我们把平均功率的比值Q2/Q1定义为事件T，γ是预先给定的门限值[5]，如果T＜γ，系统中可疑接收信号装置会判定球状传感器正在向系统进行信号污染。

在球状传感器的干扰攻击的作用下，导频污染攻击被ERD 检测到的概率为Pd，Pd=Pr(T＜γ|H1)。根据Pd和球状传感器监听速率CE的关系[6]，由此知道了导频污染功率PE和球状传感器（即球状传感器）的坐标(xE,xY)之间的关系。球状传感器E 发送导频污染信号功率PE的增大，降低了RD同时增大了球状传感器的信噪比RE。

4 仿真结果及其分析

在系统中，如果球状传感器进一步增大导频信号功率PE，增大导频信号功率导致检测概率增大，则可以确定PE和球状传感器坐标(xE,xY)。同时，PE应小于最大可用功率，(xE,xY)应小于球状传感器尽可能的坐标距离,同时还需要满足可疑接收器信息速率小于球状传感器信息速率,因此，通过对PE和(xE,xY)进行二维搜索[7]的方式来实现最大的监听速率。

利用Matlab 仿真结果可以验证文中公式PE、PJ的关系，可以得到结论：给定确认的PJ，再增加PE，系统的平均窃听速率会先增加再减少。图2表明导频污染信号是可以一定程度提高系统合法窃听情况下的窃听速率同时还可以增加ERD对导频污染信号的检测速率，以此来降低可疑链路对系统合法窃听状态下的检测性能。

图2 Pd 随PJ、PE 变化情况图

5 结语

本文详细阐述了基于球状传感器监听系统的工作原理，借助仿真结果验证文中的数理分析，系统中球状传感器向可疑接收机发送固定功率大小为PJ的干扰信号，缩短距离dED，可以增大功率Q2，增大了Q2与Q1的比值，降低了系统检测到球状传感器的概率，证明该干扰信号能够有效对抗导频污染攻击检测机制ERD，从而降低其检测效果，最终一定程度提高窃听速率，干扰被窃听系统的通信。