论文部分内容阅读
随着无线通信技术的普及与发展,无线通信安全成为一个备受关注的问题。然而,无线信道的开放性使其容易遭受窃听、仿冒、篡改等攻击。传统的安全机制在当前的无线通信系统中得到了普遍使用。但是这些安全机制面临着密钥分发困难、不适用于资源受限的大规模网络等问题,难以满足未来无线通信的安全需求。近年来,物理层安全逐渐成为无线通信安全领域的研究热点。物理层安全从信息论的角度出发,提供了一种新型的安全机制,极大地简化了密钥的分发与管理工作。因此,研究无线通信物理层安全的理论与方法具有重要的理论意义和实际的应用价值。论文重点研究了物理层安全的两大主要内容,无密钥安全和信道密钥生成的理论与方法。针对无密钥安全中的窃听者信道状态信息(Channel State Information, CSI)估计不准确,以及存在盲分离窃听攻击的问题,提出了两种新的接收者发送人工噪声(Artificial Noise Transmitted by Receiver, ANTR)的优化方法。针对信道密钥生成中,信道测量参数的互易性较差以及信道特征在时间、空间、频率域存在一定的相关性的问题,分别提出了基于对数域差分变换(Log-DomainDifferentialTransform,LDDT)和基于主成分分析(Principle Component Analysis,PCA)的密钥生成方法。最后,归纳建立了人工随机源(ArtificialRandomness, AR)协助的信道密钥生成方法的数学模型,证明了该模型可以提高密钥的生成速率。论文的创新性研究成果包括:1.提出了一种窃听者CSI估计不准确的情况下的鲁棒ANTR优化方法现有的ANTR方法假设窃听者的CSI可以准确获知,然而实际上窃听者CSI的估计往往存在偏差。在窃听者CSI估计不准确情况下,联合优化波束成形向量与ANTR的协方差矩阵以满足用户服务质量(Quality of Service,QoS)。利用信道不确定约束条件的上界将该非凸优化问题转化为一个半正定规划问题,从而获得系统的最优发射方案。此外,证实了最优的协方差矩阵必须满足秩为1的条件。仿真结果表明在窃听者的CSI估计存在偏差的情况下,论文提出的ANTR方法比现有的ANTR方法的安全容量性能提高了 2dB。2.研究了抗盲分离攻击的ANTR的优化方法当发送信号具备时间结构时,窃听者可利用盲分离攻击窃取现有的ANTR方法中的发送信号。为了抵抗该攻击,设计与发送信号具有一定相关性的ANTR。针对基于二阶统计量的盲分离攻击的成立条件,提出两种ANTR设计方法:优化相关系数的方法和随机化相关系数的方法。仿真结果显示,当发送信号为语音信号、人工噪声为独立的高斯噪声时,利用盲分离攻击可以成功重构出与发送信号相关度高达90%的信号,而论文提出的两种ANTR方法可将该相关度下降至50%以下。当发送信号为BPSK信号时,论文提出的两种方法可将窃听者的误码率维持在0.5。3.提出一种新的消除硬件指纹(Hardware Fingerprint,HF)差异的LDDT方法不同的无线收发设备具有不同的HF,而HF的差异将导致合法用户间信道测量参数的互易性较低。LDDT方法首先将HF由乘性分量转变为加性分量,再根据任一频点上的HF在短时间内可以视为固定不变的特性,在时域作差分运算消除HF的差异。在无噪情况下,LDDT方法可以完全消除HF差异的影响。考虑LDDT对噪声的敏感性,结合补零技术对LDDT方法做出改进。仿真结果显示LDDT方法的误码性能接近理想情况(无HFD)的性能。当HF差异为0.01时,现有方法的误码率维持在10-2,而LDDT方法的误码率可下降至10-4。4.提出一种基于PCA的最优线性预处理方法信道测量参数的时域、频域以及空间域具有一定的相关性。此外,低信噪比下信道测量参数的互易性较差。针对这些问题,论文归纳建立了线性预处理方法的普适模型,推导了预处理信号的安全密钥容量表达,从理论上证明了 PCA为取得最大安全密钥容量的最优线性预处理方法。此外,论文证明了在基于PCA的信道密钥生成方法中,采用相同特征向量可以带来更高的密钥一致性以及更低的计算复杂度,且信息泄漏可以忽略。仿真结果验证了基于PCA的线性预处理方法可以有效地提高密钥的一致性,当密钥生成速率为10kb/s、SNR为10dB时,PCA的密钥错误率逼近10-3。此外,PCA的随机性测试通过率达到0.825,超过现有的其他方法。5.证明了 AR协助的信道密钥生成方法可以提高密钥的生成速率准静态环境下信道变化缓慢,难以产生新的密钥。论文归纳建立了AR协助的密钥生成方法的数学模型。从信息论的角度证明了在单天线系统中,当窃听者不能准确估计自己的信道时,AR可以增加密钥的生成速率。增长的密钥速率受到信道条件的制约。此外,在多天线系统中,利用AR增长的密钥速率与发送者的预编码方法有关。仿真结果显示当窃听者可以准确估计CSI时,AR增加的密钥速率为0;当窃听者不知道CSI时,而发送者知道窃听者的CSI时,增加的密钥速率取得上界。