广义空间调制系统的安全传输映射方案

为提高时分双工无线通信系统中广义空间调制(GSM)的安全性,提出一种新的GSM安全传输映射方案。将合法信道状态信息引入映射过程中,分别重选由空间比特和星座比特映射的激活天线组合索引和星座符号索引,以增强GSM系统的安全性。仿真结果表明,该方案中的被动窃听者无法恢复激活天线组合索引与星座符号索引所携带的信息,其保密速率初始值较基于空间调制的方案提高184.31%,增强了系统的安全性。     

联合信道非相干网络编码调制方法

针对时变双向中继信道下的物理层网络编码问题,提出多天线场景下不需要信道状态信息的联合信道编码的非相干物理层网络编码调制和检测方法。首先,为了实现物理层网络编码,设计了源节点的空间调制矩阵。然后,将差分空间调制与物理层网络编码结合,推导得到中继节点处叠加信号的最大后验概率检测表达式。同时,结合叠加信号的星座图,设计从叠加星座到中继转发符号的映射方案。最后,利用信道编码的线形结构,结合比特交织、信道译码与软入软出检测算法,进而得到联合信道-差分物理层网络编码迭代检测方法。仿真结果表明,所提方法能在双向中继场景下实现物理层网络编码的非相干传输与检测,有效提高了系统的吞吐量和频谱效率。     

物理层安全星座模糊设计方法的性能研究

物理层安全加密技术是一种有效保证信息安全传输的物理层安全方法。此技术通过相位旋转、调制星座多样性、符号模糊、幅度调节和符号顺序变化等手段设计信号星座,保护调制方式与调制符号信息。现有的物理层安全加密技术存在密钥共享不保密和星座模糊度不足等缺点。多符号模糊(Mutiple Inter-symbol Obfuscation,MIO)方案采用人工噪声符号密钥与已调符号矢量叠加的加密方法来解决星座模糊度不足的问题。受MIO的启发,文中将信道系数与已调符号矢量叠加,提出了一种基于星座模糊设计(Constellation Obfuscatio Design,COD)的物理层安全加密方案。在TDD模式和信道互易的条件下,将合法信道的信道系数作为密钥,来解决密钥预分享不保密的问题。文中详细介绍了发端加密与合法接收端解密的完整传输过程,并针对高阶累积量的调制识别和智能攻击型窃听者进行接收处理分析;推导出瑞利衰落信道下的合法接收端误码率理论公式;对合法接收端、高阶累积量的调制识别窃听端和智能攻击型窃听端的误码率进行仿真,并对比了MIO方案合法接收端、窃听端的性能。仿真结果显示:合法接收端误码率为1×10-4时,COD方案的信噪比比MIO方案的低6 dB;对COD方案加密后,当信噪比为0时,调制识别成功率为11.8%,调制识别成功率最高可达25%且在信噪比大于40 dB后保持稳定;前3个数据包中,COD方案智能攻击型窃听端的误码率始终为0.284,知晓起始密钥的MIO方案窃听端的误码率则较低;信噪比在0~54 dB范围内时,合法接收端的误码率性能始终优于调制识别窃听端和智能攻击型窃听端。因此,所提COD方案能够保障安全通信,抵御调制识别和智能攻击型窃听者的攻击,并且COD方案的有效性和可靠性均优于MIO方案。     

基于信道估计的物理层安全多天线选择功率分配方案

针对多天线选择方案提高物理层安全的研究中信道已知条件的设定过于理想这一问题,提出利用导频信号估计主信道并进行多天线选择的方案。首先,接收端发送导频信号供发射端进行主信道估计;然后发射端利用估计的信道状态信息选出多根天线并进行功率分配;最后推导所提方案的保密容量并设计仿真实例。结果表明,所提方案在估计误差条件下达成了低信噪比时的非零保密容量,且接收方误码率随信噪比增大急剧减小至10-4,而窃听方的误码率保持较高,验证了所提方案的有效性和可行性。     

一种新的基于MQAM的PLNC去噪映射算法

物理层网络编码(Physical Layer Network Coding,PLNC)在高阶幅度和相位调制中存在星座点模糊现象。针对这一问题提出了一种物理层网络编码去噪映射算法。在该算法中,中继节点对接收信号进行星座点重新布局,按一定规律将星座点合并,经过处理后的信号星座点降低了一半,进而下行链路的调制阶数也降低了一半,星座图相邻点之间的欧氏距离变大,系统误码率性能得到提高;且中继节点只需解调-重映射-调制,处理复杂度低。通过计算机仿真验证了该算法的有效性。     

基于多径信道随机延时的物理层全算法

针对无线通信遇到的第三方窃听问题,利用无线通信系统信道多径延时丰富的特征,提出了一种保证物理层安全传输的加密算法。该算法中,数据发送用户根据估计的多径延时信息随机提前符号发送时间,使授权用户的同步位置有较强的多径信号到达,授权接收用户在保持同步状态不变的情况下可以正常接收信息。而窃听用户具有不同的信道多径延时特征,接收到的信号幅度和相位会随机变化,难以进行同步跟踪,因此接收到的符号会产生大量的误码,从而提高授权用户之间的安全传输性能。仿真结果表明,该算法能有效提高窃听方的误码率,提高授权用户通信的安全性,从而可在多径环境中有效保证物理层通信安全。     

信道预测天线选择的空时分组码物理层安全增强

针对延时发射天线选择(TASD)/正交空时分组码(OSTBC)无线通信系统,基于最小均方误差(MMSE)信道预测器,提出一种系统物理层安全增强方案。将MMSE信道预测方案应用于TASD/OSTBC无线通信系统,构成信道预测发射天线选择(TASP)/OSTBC无线通信系统,并对其推导瑞利块衰落信道上安全中断概率、非零安全容量概率以及渐近安全中断概率的解析表达式。在此基础上,分析主信道收发天线数、窃听者天线数和信道的归一化延时等参数对系统物理层安全性能的影响。数值计算和仿真结果表明,采用TASP可以提高OSTBC编码无线通信系统的物理层安全性能。     

平面大规模天线阵列的窃听检测方案

物理层安全机制可以为无线通信提供有效的保密机制,为后期保密通信降低系统复杂度。提出了一种基于大规模平面天线阵列的物理层安全机制,即主动窃听的检测方案。该方案针对时分双工模式下的莱斯信道模型,仅在假设合法用户莱斯因子和基站噪声功率已知的情况下,即可有效检测窃听用户。仿真结果表明,所提出的检测方案性能随着天线个数、莱斯因子的增加而提高。此外,该方案的性能不随用户的位置而改变,可在三维空间全方位地检测窃听。     

使用TAST码的BI-STCM-ID系统中的星座映射分析

研究了BI-STCM-ID系统中的星座映射问题.证明了在使用TAST空时编码方案的BI-STCM-ID系统中,基于最大化编码增益的高维星座映射设计优化问题等价于基于最大化欧式距调和均值的一维星座映射设计优化问题.     

基于信息增益的无线通信信号指纹构建及识别机制研究

为实现对特定区域电磁空间的有效监管,本文建立针对无线通信信号的唯一识别及标定机制,利用无线通信信号调制方式、发射机器件一致性及通信协议等多种因素造成的信号差异,构建表征无线通信信号完备差异信息的指纹集,并引入信息增益评价机制评估指纹集中各特征对差异信息的贡献度,建立精简有效的电磁指纹。在此基础上,设计基于支持向量机的指纹匹配算法,实现无线通信信号身份的有效识别。仿真实验结果表明,本文方法在接收信噪比大于4 dB时可实现特定区域电磁空间内无线通信信号身份的有效识别。     

基于SDR平台的噪声聚合物理层安全传输方案的设计与实现

噪声聚合物理层安全方案通过编码设计,结合反馈控制可以充分地挖掘无线链路中引入的固有噪声资源,恶化窃听者的信道质量,增强通信系统的安全性能。为了在实际系统中验证与评估该方案的性能,基于软件无线电平台设计并实现了融合噪声聚合抗窃听功能的发射机、接收机方案;在此基础上,搭建了包含源节点、目的节点与窃听节点的抗窃听测试环境。以图像传输业务为测试案例,对误帧率、峰值信噪比等客观指标以及图像主观效果进行了评估。测试结果表明,合法接收端相比于窃听端在同一误帧率条件下可获得良好的信噪比增益;在同一信噪比条件下具有高峰值信噪比且清晰可辨的接收图像,验证了噪声聚合方案的有效性。     

基于成对生成策略的无线网络群密钥产生及其分析

使用无线信道的物理层信息在无线设备间生成私密密钥用于确保移动环境的安全, 如今受到了广泛关注。然而在现实环境中,在多个设备之间生成群密钥以确保群安全通信的问题仍然存在挑战。针对无线网络星型拓扑结构,提出一种基于中心节点成对生成策略的群密钥产生方案。相比于文献中提出的利用群内节点间的接收信号强度差分实现提取群密钥的方案,详细分析了它们各自能实现的群密钥容量并给出了数值计算结果。分析表明,提出的基于成对生成策略的群密钥产生方法在密钥率方面优于文献中的差分提取方案。     

多径传输环境下的射频指纹估计方法

随着无线通信技术的飞速发展,其安全问题日益严峻.物理层安全技术利用无线信号的内在属性建立安全机制,为增强无线通信安全提供了新思路.无线信道密钥生成技术利用无线信道的互易性、随机性和唯一性生成对称密钥;射频指纹(Radio Frequency Fingerprint, RFF)识别技术借助寄生在无线信号中的射频特征进行设备身份认证.但是,在接收到的信号中,无线信道和RFF混叠在一起,不利于密钥生成和设备识别.无线信道与RFF的分离是物理层安全技术中需要解决的一个重要问题.本文研究了多径传输环境下的RFF估计方法,提出了基于信道互易性(Channel Reciprocity based, CR)的RFF估计方法以及基于主路径分解(Main Path Decomposition based, MPD)的RFF估计方法. CR方法利用无线信道的互易性获取发射机RFF,可广泛适用于单天线或多天线时分双工系统;MPD方法利用接收机的多天线优势,通过重构信号子空间来获取主路径中包含的发射机RFF.仿真结果表明, CR方法可以在理想的高信噪比条件下获得较好的估计性能, MPD方法可以从主路径中分解得到发射机RFF,可有效降低噪声的影响,在低信噪比条件下仍具有良好的估计性能.     

基于信道特征和随机插值的物理层算法

分析无线通信系统当下的安全现状及保护物理层安全的必要性,结合无线信道的密钥生成方法,提出一种基于正交频分复用（OFDM）系统并行调制特点的随机插值的物理层安全算法。该算法的核心思想是在共享密钥的控制下,通过对快速傅里叶逆变换（IFFT）后输出的数据符号进行随机插值,将原OFDM符号重构,使得非法用户难以正确解调信号,达到保护传输信息安全的目的。该算法基于物理层加密,可更好地保护空中接口和无线链路,并行加密的过程也降低了通信系统实现的复杂度。通过理论分析及仿真实验表明,新算法可有效对抗各种非法攻击,同时对通信系统的固有性能影响较小,且能较好地适应多径信道,表现出不错的抗多径衰落能力。     

基于设备与信道特征的物理层安全方法

接入安全与数据保密是无线网络安全性和保密性的两个最重要的因素.然而,基于计算安全的身份认证及保密通信方法在未来信息化系统中面临巨大挑战.与此同时,基于信息论安全的物理层安全为身份认证和保密通信开辟了新的思路.本文综述了近年来基于设备与信道特征的物理层安全方法的研究进展.利用无线通信设备、信道的特性可以从物理层实现设备身份的识别与认证以及密钥的分发与更新,同时具备高度安全性与使用便捷性.其中,设备指纹方法从发射信号中提取发送设备的特征,作为设备身份的唯一标识,从而准确识别不同发射源个体.指纹的唯一性、鲁棒性、长时不变性、独立性、统一性和可移植性是设备指纹身份认证的依据.而基于信道特征的密钥生成方法则从接收射频信号中提取互易的上下行信道的参数,转化为对称密钥,实现一次一密的安全传输.同样地,密钥的一致性、随机性、防窃听性则是反映无线信道密钥生成方法性能的关键要素.本文对设备指纹与信道密钥的关键要素归纳分析,并指出目前存在的几类难点问题.最后,本文讨论了在未来移动通信中该技术新的应用场景.     

基于时域参考的物理层安全传输方案

在SIMO-OFDM通信系统中, 基于发送端多天线冗余的物理层安全算法不再适用。针对这一问题, 提出一种基于时域参考的物理层安全传输方案。合法接收者在各个子载波上构造多天线随机加权向量, 使构造的加权向量在合法信道上的投影等于随OFDM符号快变的时域参考变量, 发送端利用前一时刻接收端构造的参考变量对当前时刻的发送调制符号进行相位旋转。时域参考变量的随机变化, 扰乱了窃听者的接收信号星座图, 导致其无法正确解调。而合法用户能够利用之前构造的多天线加权向量正确解调接收信号。安全性分析和仿真结果表明, 当天线数为8、信噪比为10 dB时, 合法用户误比特率达到10^-4, 而窃听者始终无法正确解调。