CN105847010B - 多用户mimo上行传输中的csi欺骗防范方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多用户MIMO上行传输中的CSI欺骗防范方法,目的在于,针对现有IEEE 802.11ac协议标准中存在的安全隐患,有效的验证信道状态信息,防止恶意攻击,保证正常通信,所采用的技术方案为:在上行链路多个用户进行并行数据传输之前,AP向用户发送预定义序列,正常用户将估计出的信道状态信息反馈,而攻击者伪造信道状态信息并反馈,AP随机产生验证码,并对验证码进行预编码,而后定向传输给用户,正常用户能够不受干扰地接收到验证码,而攻击者伪造了自己的信道状态信息CSI,攻击者却不在传输路径上,因此,攻击者不能收到验证码,从而不能向AP反馈来完成验证。
Description
技术领域
本发明属于无线通信网络安全领域,具体涉及一种多用户MIMO上行传输中的CSI欺骗防范方法。
背景技术
随着无线通信技术的发展,Wi-Fi的协议标准已经经历了许多版本,从IEEE802.11a、802.11b、802.11g,到802.11n和802.11ac,最明显的改变是数据传输速率的提升。其中802.11n是目前使用最为广泛的协议标准。该标准支持单用户多输入多输出(SU-MIMO)通信。所谓MIMO技术,是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线,使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收,从而改善通信质量。它能充分利用空间资源,实现空间复用。同时在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下,可以成倍的提高***信道容量。MIMO技术有效地解决了无线局域网中带宽有限的问题。该技术被收入到IEEE802.11n和IEEE802.11ac协议中。所谓SU-MIMO,它应用在IEEE802.11n协议标准中,是指在同一时刻,仅能服务一个用户,也就是说,多个用户之间需要以类似于CSMA/CA的机制竞争传输信道。而在最新的IEEE 802.11ac协议中,多用户MIMO(MU-MIMO)被提出。这是一种新兴的技术,允许多个用户同时向同一个多天线的AP并行传输数据,并且不会互相干扰。因此,MU-MIMO能够有效地提高网络吞吐量。
在MU-MIMO***中,有关下行链路通信的研究已经取得了一定的进展。下行链路通信是指从AP端到用户端的数据传输。如图1所示,下行链路的MU-MIMO网络是有AP集中控制的。具体实现的过程是,首先,AP通过迫零波束形成(zero-forcingbeamforming)技术对需要发送的数据进行预编码处理,来产生多个正交的数据流。然后,这些数据流就被定向传输到不同用户。最后,多个用户接收到自己的数据流,并且相互之间不受干扰。
然而,在上行链路MU-MIMO中,上行的数据流是从多个方向传输到AP,在上行链路MU-MIMO网络中,多个用户向AP并行地传输数据流,如图2所示。AP的每个天线接收到多个用户的混合数据。AP需要获取数据流在传输过程中各自的变化特征,才能正确解析混合数据。这种描述信号在传输路径上的衰弱因子称为信道状态信息(CSI),包括信号散射、环境衰弱、距离衰减等信息。一般情况下,CSI是由接收端评估并将其量化反馈给发送端,反馈示意图如图4。在CSI反馈流中,通常首先由AP向客户端发送预定义序列k。客户端接收到之后,进行CSI估计,最后将估计结果反馈给AP。整个CSI反馈过程均是由客户端自主控制的。
众所周知,现实的无线网络是不安全的,存在很大的安全隐患。比如Wi-Fi蹭网、Wi-Fi钓鱼窃取账号密码等等。攻击者无处不在。在上行链路MU-MIMO中,多个用户同时向AP传输数据。AP为了正确解析混合的数据,需要多个用户正确汇报自己的CSI。如果在多个用户中,存在恶意的攻击者,向AP反馈伪造的CSI,将会使AP解析结果出错,严重地会造成整个上行链路MU-MIMO网络瘫痪。
发明内容
为了解决现有技术中的问题,本发明提出一种针对现有IEEE 802.11ac协议标准中存在的安全隐患,能够有效的验证信道状态信息,防止恶意攻击,保证正常通信的多用户MIMO上行传输中的CSI欺骗防范方法。
为了实现以上目的,本发明所采用的技术方案为,包括以下步骤:
1)信道状态信息反馈:
1.1)在上行链路多个用户进行并行数据传输之前,AP向用户发送预定义序列U,该序列U是AP和用户均已知的;
1.2)正常用户和攻击者接收到验证信息y=U*h,h为信道状态信息;
1.3)正常用户和攻击者估计信道状态信息h=y/U;
1.4)正常用户将估计出的信道状态信息h反馈给AP;而攻击者伪造信道状态信息′,并反馈给AP;
2)验证码的处理与发送:
2.1)AP随机产生验证码k;
2.2)AP根据步骤1.4)用户反馈的信道状态信息对验证码k做预编码;
2.3)AP将预预编码后的验证码k定向发送给用户;
3)验证码的估计与反馈:对于正常用户,接收到验证信息y'=k*h,估计验证码k=y'/h,将k反馈给AP,正常用户验证成功;对于攻击者,AP发送的验证信息朝着伪造的信道状态路径传输,而攻击者并不在该传输路径上,攻击者不能收到验证信息,攻击者验证失败。
所述的步骤2.1)中AP通过真随机码产生器产生验证码k。
所述的AP通过实时测量的处理器温度值作为真随机源,并产生验证码k。
所述的步骤2.2)中AP利用ZF-BF技术对验证码k做预编码。
所述ZF-BF技术通过设置AP天线的振幅和相位参数来对验证码k进行预编码处理,实现验证码k的同时定向传输。
所述的预编码公式如下:
yk=m+n,
其中,yk是用户收到的数据,m是用户期望收到的数据,n是高斯白噪声。
所述的预编码公式的推导如下:
ZF-BF技术的预编码公式为:
yk=Hx+n=HCm+n,
其中,yk是用户收到的数据,H是信道状态信息(CSI),m是用户期望收到的数据,n是高斯白噪声,x是AP经过预编码之后实际发出的数据,C为预编码矩阵,用来对其他并行传输信号产生的干扰置零,采用信道反转来实现零干扰,即C=H*(H*H)-1,H*是H的转置共轭矩阵,则有:
yk=HH*(H*H)-1m+n=m+n。
所述的步骤3)中用户对验证码k的反馈,如在规定时间内AP接收到反馈的验证码,则用户验证通过;如超时则验证失败。
与现有技术相比,本发明在上行链路多个用户进行并行数据传输之前,AP向用户发送预定义序列,正常用户将估计出的信道状态信息反馈,而攻击者伪造信道状态信息并反馈,AP随机产生验证码,并对验证码进行预编码,而后定向传输给用户,正常用户能够不受干扰地接收到验证码,而攻击者伪造了自己的信道状态信息CSI,攻击者却不在传输路径上,因此,攻击者不能收到验证码,从而不能向AP反馈来完成验证,本发明考虑到了在上行链路MU-MIMO网络中存在的安全隐患,CSI的易损性,攻击者可以利用这一点破坏整个网络的正常通信,本发明针对这样的安全的隐患,能够有效的检测到攻击者的CSI欺骗,从而保证了上行网络的正常通信。
进一步,为了使验证码不容易被攻击者获取到,验证码的随机性一定要得到保证,本发明选取一个真随机码产生器,在协议算法中,AP通过实时测量的处理器温度值作为真随机源,产生验证码,更加保证了验证码产生的随机性,保证了本发明的有效性。
进一步,AP基于各个用户反馈的CSI,利用ZF-BF技术设置AP天线的振幅和相位参数来对验证码进行预编码处理,实现验证码的同时定向传输,如果不用波束成形技术,验证码相当于是广播出去,所有方向上的信号能量是类似的。而利用波束成形,验证码就相当于是定向传输,只有在特定方向上的信号能量较大,其他方向上是很小的。所以波束成形技术能够保证AP定向地传输数据流,在攻击模型中,AP基于汇报的CSI向用户定向传输波束,正常用户能够不受干扰地接收到验证码,而攻击者却不在传输路径上,攻击者不能收到验证码,从而不能向AP反馈来完成验证。
附图说明
图1是下行链路MU-MIMO网络图;
图2是上行链路MU-MIMO网络图;
图3是上行链路MU-MIMO网络的***模型;
图4为本发明的信道状态信息验证流程图;
图5是本发明的信道状态信息反馈流程图;
图6是本发明的干扰攻击模型图;
图7a是本发明实施例验证正常用户流图;图7b是本发明实施例验证攻击者流图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例和说明书附图对本发明作进一步的解释说明。
本发明的目的在于,针对现有IEEE 802.11ac协议标准中存在的安全隐患,具体指信道状态信息(CSI)的易损性,建立一种在上行链路MU-MIMO网络中易发生且损害性很强的攻击模型,提出能够防止该攻击产生的信道状态信息(CSI)的验证算法。
参见图3,首先介绍MU-MIMO上行链路网络的***模型,***中有一个AP,三个用户,分别为Alice、Bob和Eve。AP含有三根天线,用户各含有一根天线。第j个用户到AP第i根天线的上行CSI可以表示为一个频域复数参数hij。因此,整体的CSI能够表示成3×3矩阵其中,第i行向量hi表示从三个用户的天线到AP第i个接收天线的CSI。因此,AP接收到的信号y能表示成:
其中,3×1向量x=[x1,x2,x3]T表示来自三个并行传输用户的信号,3×1向量y=[y1,y2,y3]T表示AP三根天线收到的信号,3×1向量n=[n1,n2,n3]T表示附加的高斯白噪声。由(1)可知,信号y是x1、x2和x3的以hij为参数的组合。所以要解析出x,AP需要知道CSI才能将数据解析出来。
然后基于以上模型,如果AP获取的CSI不正确,则AP解析出错。因此提出在上行链路MU-MIMO网络中破坏性很强的攻击模型,用户先向AP进行CSI反馈如图5所示,接着用户进行并行数据传输,最后AP利用非线性均衡方法进行数据解析。
本发明的攻击模型,具体流程如图6所示,假设在上行链路网络中有三个用户,分别是Alice、Bob和Eve,其中Eve是恶意攻击者。攻击的整个过程可以大致分为以下四步完成:
步骤1)CSI反馈
Alice和Bob向AP汇报真实估计的CSI,同时,Eve汇报伪造的CSI给AP。在AP接收到CSI反馈之后,进入下一步骤;
步骤2)并行数据传输
Alice、Bob和Eve同时向AP传输数据。在数据传输结束之后,进入下一步骤;
步骤3)AP数据接收
AP接收到混合的数据。在AP接收完数据之后,进入下一步骤;
步骤4)数据解析
AP基于用户反馈的CSI利用非线性均衡的方法进行数据解析。
由于攻击者Eve反馈伪造CSI,导致AP不能正确解析混合数据,使得不能正常接收Alice和Bob的数据。如果Eve连续发送伪造CSI,最终会导致整个上行链路网络瘫痪。
为了解决这种恶意的干扰攻击,我们提出相应的解决方案。由上面的攻击可知,CSI的准确性是AP能够正确解析数据的关键。因此,预防这种干扰攻击的关键就是检测出错误的CSI和恶意的用户。基于以上的观察,我们设计了CVU(CSI Validation Algorithm ofUplink),一种有效的验证CSI算法,用来检测上行用户的CSI欺骗,简要流程如图4和图5。
本发明分以下三步完成:
步骤1)验证码的产生
作为CVU算法的关键,验证码的随机性一定要得到保证。否则,验证码很容易被攻击者获取到,会影响CVU的有效性。因此,我们选取一个真随机码产生器。真随机码产生器通常用物理的过程来增强随机性。在我们的协议算法中,AP通过实时测量的处理器温度值作为真随机源,产生验证码。
步骤2)验证码的预编码与发送
AP基于各个用户反馈的CSI,利用ZF-BF(Zero-forcing Beamforming)技术设置AP天线的振幅和相位参数来对验证码进行预编码处理,实现验证码的同时定向传输。
AP通过迫零波束形成(zero-forcingbeamforming)技术对需要发送的数据进行预编码处理,来产生多个正交的数据流。然后,这些数据流就被定向传输到不同用户。最后,多个用户接收到自己的数据流,并且相互之间不受干扰,波束形成预编码技术如公式(1)所示,
yk=Hx+n=HCm+n (1)
其中,y是用户收到的数据,H是信道状态信息(CSI),m是用户期望收到的数据,x是AP经过预编码之后实际发出的数据。C即为预编码矩阵,用来对其他并行传输信号产生的干扰置零。一般用信道反转来实现零干扰,即C=H*(H*H)-1,则:
yk=HH*(H*H)-1m+n=m+n (2),
数据被零干扰地发送到接收方,接受用户收到的刚好只是自己期盼的数据m。
步骤3)验证码反馈
用户接收到验证码之后,将其按照图5所示过程反馈给AP,完成CSI验证过程。
本发明算法能够有效地检测CSI欺骗,AP利用波束成形技术对验证码进行预处理,然后将其发送出去。如果不用波束成形技术,验证码相当于是广播出去,所有方向上的信号能量是类似的。而利用波束成形,验证码就相当于是定向传输,只有在特定方向上的信号能量较大,其他方向上是很小的。所以,波束成形技术可以保证AP定向地传输数据流。在我们的攻击模型中,AP基于汇报的CSI向用户定向传输三个波束,正常用户能够不受干扰地接收到验证码,而攻击者却不在传输路径上。因为攻击者伪造了自己的CSI。因此,攻击者不能收到验证码,从而不能向AP反馈来完成验证。
如图7a所示,AP验证一个合法用户,分为以下三步完成:
步骤1)CSI反馈:在上行链路多个用户进行并行数据传输之前,需要先进行CSI反馈。
(1)AP向用户发送预定义序列U,该序列U是AP和用户均已知的;
(2)用户接收到y=U*h(h为信道状态信息);
(3)用户估计信道状态信息h=y/U;
(4)用户将估计出的CSI h反馈给AP。
步骤2)验证码的处理与发送:AP基于用户反馈的CSI对验证码做预处理,并发送出去。
(1)AP通过真随机码产生器产生验证码k;
(2)利用ZF-BF技术,根据反馈的CSI h对验证码k做预编码;
(3)将预处理后的验证码k发送出去。
步骤3)验证码的估计与反馈
用户在接收到验证码之后,需要正确估计出验证码,并将其反馈给AP,从而完成验证。
(1)用户接收到y=k*h;
(2)用户估计验证码k=y/h;
(3)用户将k反馈给AP;
需要说明的一点是,用户进行验证码反馈是有时间限制的,如果在规定时间范围之内AP接收到反馈的验证码,则用户验证通过;如果超时,则验证失败。
如图7b所示,AP验证一个恶意用户,仍分为以下三步完成:
步骤1)CSI反馈
(1)AP向攻击者发送预定义序列U,该序列U是AP和用户均已知的;
(2)攻击者接收到y=U*h(h为信道状态信息);
(3)攻击者估计信道状态信息h=y/U;
(4)攻击者伪造CSIh′,将其汇报给AP。
步骤2)验证码的处理与发送
(1)AP通过真随机码产生器产生验证码k;
(2)利用ZF-BF技术,根据反馈的CSI h′对验证码k做预编码;
(3)将预处理后的验证码k发送出去。
步骤3)验证码的估计与反馈
由于攻击者反馈的是伪造CSI,而AP是按照反馈的CSI对验证码进行预编码,最终形成的定向波束是朝着伪造的CSI路径传输,然而攻击者并不在AP定向传输数据的路径上,也就是说,攻击者不能收到任何有关验证的信息。在规定的时间范围之内,AP没有收到反馈的验证码。最终,攻击者验证失败。
本发明考虑到了在上行链路MU-MIMO网络中存在的安全隐患,CSI的易损性,攻击者可以利用这一点破坏整个网络的正常通信。本发明针对这样的安全的隐患,设计出一种有效的防御措施CVU,能够有效的检测到攻击者的CSI欺骗,从而保证了上行网络的正常通信。而现有的技术并没有考虑到上行通信中隐藏的威胁。综上所述,本发明的CSI验证方法能够有效防止上行链路网络中攻击者的CSI欺骗。另外,该协议只是在AP端进行部署与修改,并不需要在用户端有所修改,所以CVU更易大规模部署与应用。
Claims (8)
1.一种多用户MIMO上行传输中的CSI欺骗防范方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)信道状态信息反馈:
1.1)在上行链路多个用户进行并行数据传输之前,AP向用户发送预定义序列U,该序列U是AP和用户均已知的;
1.2)正常用户和攻击者接收到验证信息y=U*h,h为信道状态信息;
1.3)正常用户和攻击者估计信道状态信息h=y/U;
1.4)正常用户将估计出的信道状态信息h反馈给AP;而攻击者伪造信道状态信息h′,并反馈给AP;
2)验证码的处理与发送:
2.1)AP随机产生验证码k;
2.2)AP根据步骤1.4)用户反馈的信道状态信息对验证码k做预编码;
2.3)AP将预预编码后的验证码k定向发送给用户;
3)验证码的估计与反馈:对于正常用户,接收到验证信息y'=k*h,估计验证码k=y'/h,将k反馈给AP,正常用户验证成功;对于攻击者,AP发送的验证信息朝着伪造的信道状态路径传输,而攻击者并不在该传输路径上,攻击者不能收到验证信息,攻击者验证失败。
2.根据权利要求1所述的一种多用户MIMO上行传输中的CSI欺骗防范方法,其特征在于,所述的步骤2.1)中AP通过真随机码产生器产生验证码k。
3.根据权利要求2所述的一种多用户MIMO上行传输中的CSI欺骗防范方法,其特征在于,所述的AP通过实时测量的处理器温度值作为真随机源,并产生验证码k。
4.根据权利要求1所述的一种多用户MIMO上行传输中的CSI欺骗防范方法,其特征在于,所述的步骤2.2)中AP利用ZF-BF技术对验证码k做预编码。
5.根据权利要求4所述的一种多用户MIMO上行传输中的CSI欺骗防范方法,其特征在于,所述ZF-BF技术通过设置AP天线的振幅和相位参数来对验证码k进行预编码处理,实现验证码k的同时定向传输。
6.根据权利要求5所述的一种多用户MIMO上行传输中的CSI欺骗防范方法,其特征在于,所述的预编码公式如下:
yk=m+n,
其中,yk是用户收到的数据,m是用户期望收到的数据,n是高斯白噪声。
7.根据权利要求6所述的一种多用户MIMO上行传输中的CSI欺骗防范方法,其特征在于,所述的预编码公式的推导如下:
ZF-BF技术的预编码公式为:
yk=Hx+n=HCm+n,
其中,yk是用户收到的数据,H是信道状态信息(CSI),m是用户期望收到的数据,n是高斯白噪声,x是AP经过预编码之后实际发出的数据,C为预编码矩阵,用来对其他并行传输信号产生的干扰置零,采用信道反转来实现零干扰,即C=H*(H*H)-1,H*是H的转置共轭矩阵,则有:
yk=HH*(H*H)-1m+n=m+n。
8.根据权利要求1所述的一种多用户MIMO上行传输中的CSI欺骗防范方法,其特征在于,所述的步骤3)中用户对验证码k的反馈,如在规定时间内AP接收到反馈的验证码,则用户验证通过;如超时则验证失败。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Granted publication date: 20190118 |
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