[發明專利]一種基于物理過程和局部估計誤差協方差矩陣的防竊聽方法

有效

• 申請號: 201910036766.8
• 申請日: 2019-01-15
• 公開（公告）號: CN109639605B
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發明（設計）人: 許大星;陳博;俞立
• 申請（專利權）人: 衢州學院
• 主分類號: H04L25/02
• 分類號: H04L25/02;H04K1/02;H04L29/08;H04W4/38
• 代理公司: 北京華智則銘知識產權代理有限公司 11573
• 代理人: 陳向敏

本發明屬于防竊聽技術領域，公開了一種基于物理過程和局部估計誤差協方差矩陣的防竊聽方法，通過通信網絡收集傳感器到融合中心的信息；基于物理過程和局部估計誤差協方差矩陣開發人工噪聲的插入方法，使竊聽者的融合估計誤差協方差變得更差；融合中心對接收信號進行解碼，并且成功的解碼概率與信噪比SNR相關；導出選擇概率和成功解碼概率的標準，獲取噪聲插入策略。本發明分析了安全降維融合估計問題的機密性，引入了人工噪聲注入方法，其包含由物理過程生成的隨機信息和所有系統參數信息，以使用融合估計誤差協方差來維持完美的預期保密。

技術領域

本發明屬于防竊聽技術領域，尤其涉及一種基于物理過程和局部估計誤差協方差矩陣的防竊聽方法。

背景技術

網絡物理系統(CPS)是通過計算，網絡和物理元素緊密集成和協作的系統。在電力，環境監測和遠程醫療中發現了各種CPS應用。基于傳感器觀測的實時狀態估計是CPS中的一個重要問題，近年來引起了人們的廣泛關注。同時，多傳感器分布式信息融合估計利用多組數據來估計過程中的數量/參數。它提高了狀態估計精度，增強了故障的可靠性和魯棒性。在網絡融合框架下，CPS中的一個關鍵問題是通信帶寬的約束，因為任何通信網絡每次只能攜帶有限數量的信息。因此，研究CPS約束通信下的信息融合估計問題具有重要的理論意義和實際意義。

已經充分研究了用于分布式融合估計的有限通信能力的問題。現有的大多數結果都采用量化方法和降維方法。從數字通信的角度來看，帶寬約束是通過限制每個傳感器在中每次發送到融合中心的二進制位數來分析的。分析到有限數量的實值消息帶寬約束，在中使用不同的降維策略開發了分布式融合估計算法。另外，為了滿足從傳感器到融合中心的一定通信速率，已經根據中的不同判斷標準研究了分布式融合估計問題。然而，由于CPS的高度開放性，CPS容易受到網絡安全威脅。特別地，基本漏洞是機密性，其中由于無線介質的廣播性質，無線信道上的傳輸數據可能被竊聽者攔截。因此，機密性成為CPS的基本要求和根本問題。

在傳統密碼學中已經研究了信息安全。由于傳感器側的計算資源有限，因此難以使用用于保密通信的強加密。此外，如果竊聽者具有足夠大的計算能力，則具有小密鑰大小的密碼方案可能具有很少的保密性。或者，有學者從信號處理角度研究了安全估計問題，其中利用物理層信息和人工噪聲來實現機密性。研究者已經提出了一種使用基于服務質量(QoS)的視角的秘密發送波束成形方法，其中在發送的信號中添加了適當數量的人工噪聲以使中的竊聽者感到困惑。在物理層安全性的思想的推動下，通過最小化遠程估計器的估計誤差協方差，同時在中將竊聽者的誤差協方差保持在一定水平以上，得到了具有反饋的最優傳輸調度。當沒有反饋時，使用數據傳輸速率在中給出了類似的結果。但是由于隨機傳輸，合法用戶的性能降低了。通過在信息承載信號中添加人為產生的噪聲來實現保密，這樣它就不會降低中預期接收器的信道質量。此外，后緒研究者分析了多個發射天線的問題。研究已經表明，人們可以保證合法接收機者的預期的協方差不受影響，而竊聽者的預期誤差協方差仍然受到注入噪聲的影響。最近，對于分布式安全融合估計問題，研究者使用基于融合估計誤差協方差矩陣的人工噪聲實現了完美的預期保密。

以上所有工作均假設帶寬資源充足。尚未研究在受限帶寬下針對竊聽者的分布式安全融合估計問題。從這個意義上講，本發明研究了帶寬受限的CPS分布式信息估計的機密性問題。研究已經指出，與矢量量化方法相比，維數降低方法更適合于解決帶寬約束問題。在維數約簡融合框架下，只有每個局部估計的部分分量可以傳遞到融合中心，因此，帶寬約束的CPS的降維融合估計的機密性問題具有挑戰性。在本發明中，基于物理過程和系統信息，本發明給出了人工噪聲設計方法，使得竊聽期望協方差的跡無界，而防御者的預期誤差協方差在一定條件下仍然有界。并提出了一些充分條件和設計的人工噪聲功率，以保證有效的噪聲插入策略。

綜上所述，現有技術存在的問題是：

由于CPS的高度開放性，CPS容易受到網絡安全威脅。基本的安全機密性差，由于無線介質的廣播性質，無線信道上的傳輸數據可能被竊聽者攔截。因此，機密性成為CPS的基本要求和根本問題；目前尚未研究在受限帶寬下針對竊聽者的分布式安全融合估計問題。