基于喷泉码的物理层安全关键技术研究

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近年来,随着无线通信技术的高速发展,移动智能终端爆炸式增长,但无线信道因其天然的开放性而易受到非法方攻击。传统的高层安全方法依靠上层的认证和加密技术来实现,面对超强的量子计算能力及多样化的业务场景,传统安全机制面临挑战。无线信道独立衰落特性使得用户信道对于非法方是不可复制的,物理层安全(Physical Layer Security,PLS)技术巧妙利用无线信道内生的安全属性,为解决无线通信的开放性问题提供了新的视野。本文针对无线信道的特性研究了物理层保密传输技术,可以作为高层安全方法的补充手段,主要工作如下:论文研究了最大距离可分(Maximum Distance Separable,MDS)码的基本原理,接着研究了无反馈下利用MDS码的保密传输技术,理论分析和数字仿真证明,由于包长增加,丢包率增加,接收方和窃听方解码成功概率均会下降,所以需要通过优化编码包长最大化联合成功概率。论文分析了有反馈时利用MDS码的保密传输技术,数字仿真结果验证了,通过反馈信息能在接收方成功解码时及时停止数据包的发送,减少额外的信息泄露,故较无反馈方案在保密传输性能上有所提升。论文研究了喷泉码的度分布函数和编译码原理,并在单通道传输条件下研究了基于喷泉码的保密传输技术。喷泉码是一种无速率码,在确保接收方可靠传输的前提下,也增加了信息泄露的风险。论文进一步研究了多通道传输条件下的保密传输技术,由于多通道加快了接收方的包接收速率,能更好地降低窃听方的截获概率。论文围绕资源分配对多通道保密传输方案建立优化模型,在窃听方以一定概率随机监听部分信道的条件下,以业务时延需求和保密性能为前提,通过对各信道的传输块数和功率进行优化分配,获取系统整体能量效率的最大化。论文研究了基于对称加密的喷泉码技术,发送方采用随机密钥保护源文件,由于信道衰落的独立性,让接收方和窃听方之间的信道质量存在差异,从而接收数据的正确性也存在差异,收发双方之间可以根据对正确接收数据的握手传送加密后的随机密钥,则接收方能正确恢复出源文件。论文进一步研究了基于互锁加密的喷泉码技术,发送方依据接收方向其反馈的正确接收包序号信息来加密喷泉码生成矩阵的编码规则,引入基于信道特性的密钥加密反馈链路,因此接收方能重构编码矩阵并成功喷泉解码,而窃听方的截获概率会被有效抑制。数字仿真结果表明,互锁加密技术较对称加密技术实现了编码矩阵的隐式传输,保密传输的效果更优。
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