一种基于Savitzky-olay滤波的物理层密钥生成方法

物理层密钥生成技术使得节点能够利用无线信道的物理特性直接生成共享密钥,从而保证无线通信过程的安全性。针对当前物理层密钥生成方案普遍存在实际场景下密钥生成率低的问题,提出了一个基于Savitzky-olay滤波的物理层密钥生成机制优化方案。该方案中,合法通信节点首先探测信道并通过Savitzky-olay滤波消除部分由信道干扰造成的信道状态差异,然后,利用多级量化以及格雷码将信道状态转为比特序列,最终通过Cascade交互式信息协调协议以及基于2阶全域哈希函数的保密增强生成合法节点之间的共享密钥。实验结果表明,基于Savitzky-olay滤波的优化方案能够有效提高物理层密钥生成过程的效率,提高了此类安全机制的实际可用性。     

基于信道特征的协作密钥提取技术研究

利用无线信道物理特征的对称性来保证无线信道安全一直是学术研究的热点。Suhas等人在经硬件改造的802.11平台上实现了基于信道特征的密钥提取测试,但是密钥生成速率较低。针对这一点提出了改进,通过借鉴协作通信技术,在密钥提取过程中引入合作节点以提高密钥生成速率。这里将整个过程分为协作探测信道、量化与协商纠错和密钥融合3个步骤。这里给出的设计可以显著提高密钥生成的速率。     

双向中继稀疏多径信道密钥生成与分发

本文利用时分系统无线多径信道的互易性,提取信道相位信息作为密钥,实现双向中继信道的密钥生成与分发。由于信道的稀疏多径特性,采用基于压缩感知的重构算法对信道状态信息进行估计。端节点采用正交导频设计,将双向中继信道分解为两个点对点的信道;而中继采用物理层网络编码的思想,广播导频和密钥比特的异或。这样,仅用2个时隙就实现了密钥生成与分发,还保证了密钥的安全,且无需预先进行密钥的分配。仿真结果表明,本文所提方案可以有效的实现双向中继信道的密钥生成与分发,保证了物理层的安全通信。      

基于放大转发的双向中继信道密钥生成

根据基于放大转发的双向中继信道的特性,该文利用时分系统无线多径信道的互易性和卷积运算的交换律提取密钥,使得密钥可以在信道估计时生成,而无需预先进行分配。由于信道的稀疏多径特性,采用基于压缩感知的重构算法对信道状态信息进行估计,提出了基于多径相对幅度和基于多径相对相位的密钥生成方案进行密钥的生成,并与基于多径相对时延的密钥生成方案进行了比较。仿真结果表明,3种方案均可以达到较高的密钥生成一致性,解决了第三方窃听的问题,保证了物理层通信的安全。     

无线信道中的Polar码协商

近年来,无线通信物理层安全逐渐成为一个研究热点,而密钥协商是物理层密码技术的关键部分。针对无线信道特征密钥提取技术中获得的信道特征不完全一致的问题,论文提出了一种基于Polar码的逆向密钥协商方案。合法用户(Alice和Bob)分别通过信道估计获得自已的原始密钥,然后Bob对原始密钥进行Polar码逆编码,并将冻结位信息传输给Alice。在冻结位及其位置信息的基础上,Alice进行Polar码译码后,再通过Polar的编码,获得与Bob一致的密钥序列。仿真结果表明基于Polar码的密钥协商协议,密钥的一致性得到显著提升,且与同等条件下的基于低密度奇偶校验码协商协议相比,可获得更高的纠错成功率。      

无线信道密钥生成技术综述

无线信道密钥生成技术作为物理层安全领域的关键技术之一,不需要密钥分发设施,而是利用无线信道的性质在合法通信双方之间共享相同的密钥,用于后续加密手段中,达到信息论意义上的安全.针对无线信道密钥生成技术,从评价标准、步骤、不同条件和场景下的无线信道密钥生成技术进行了综述,并对无线信道密钥生成的应用实现以及未来研究方向进行了...     

无线多跳网络下基于过时信道状态信息的跨层资源分配

对于无线多跳网络跨层资源分配算法的研究大多是建立在假定每个节点能获得网络中其他节点的完美的信道状态信息(CSI)的基础上。但是由于信道的时变特性和CSI的反馈延时,在动态变化较快的无线网络中,节点所获得的CSI很可能是过时或者部分过时的。基于这个前提,该文首次在动态无线多跳网络跨层资源优化分配算法中考虑了CSI这种变化的影响,并提出了一种相应的分布式联合拥塞控制和功率分配算法。仿真结果证明该算法能够极大地提高网络效用和能量效用。     

基于网络编码的无线多播速率选择机制

在无线多播通信系统中,每个接收节点与源节点(例如基站)之间的信道状态不相同。因此,过高或者过低的多播速率都会导致较大的传输延迟。而且,信道状态随节点运动而变化,仅仅基于当前信道状态信息(CSI)和接收节点已接收数据状态信息(DSI)的多播速率选择机制无法达到最优性能。该文根据节点CSI和DSI提出了一种基于信道预测多播速率选择算法(MDCP)来最小化传输延迟,并结合网络编码提高数据重传效率。仿真结果表明,与基于最差信道状态节点的多播速率选择算法和没有信道预测的基于最大延迟节点的多播速率选择算法相比,MDCP能够获得10%-20%延迟增益。     

基于集成学习的全双工中继系统安全中继选择方案研究

当处于无线信道状态信息(Channel State Information,CSI)快速变化或者多跳中继等应用场景时,利用集成学习算法解决安全中继选择问题能减少实时处理时延及计算复杂度.将合法信道和窃听信道的CSI作为训练模型输入,使系统安全容量到达最大的中继节点索引作为输出,把全双工中继系统安全中继选择问题转化为一个多类分类问题,并利用随机森林(Random Forest,RF)算法求解.安全中继选择方案的实现分为数据准备、模型建立和结果预测三个阶段.在数据准备阶段,由于RF算法要求训练模型输入为离散值,给出了均匀量化和非均匀量化两种特征提取法将CSI转化为离散值.最后,通过仿真实验验证方案性能.     

体域网中一种基于无线信道特征的密钥生成方法研究

无线体域网是以人体为中心的无线网络,受其有限的资源和计算能力的约束,如何保证无线体域网通信节点间共享密钥是当前面临的一大挑战。提出了一种基于超宽带无线体域网信道特征的密钥生成机制,利用超宽带信道多径相对时延与平均时延的差值量化生成密钥,降低了密钥不匹配率,同时引入辅助节点,提高了密钥生成速率。仿真结果表明,该机制能够在兼顾密钥一致性的前提下,获得较高的密钥生成速率并保证密钥的安全性。     

窃听CSI未知场景下基于可重构智能表面的物理层安全传输方案

近些年来,人们一直在开发可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface,RIS),它是一种由许多无源反射器组成的低成本结构,可以自由地改变每个元素的反射系数,并重新配置无线传输环境以改变入射信号的传播。由于具有若干新型和独特的优势,RIS应用场景广泛,关于其在物理层安全中应用的研究蓬勃发展。与此同时,物理层安全研究中窃听者的信道状态信息(Channel State Information,CSI)一直是人们讨论的热点,实际通信场景中窃听CSI通常是不易获取或未知的。因此本文考虑了一个更接近现实的情况,即针对窃听CSI未知的场景,考虑存在一个合法接收者以及多个非法窃听者,从功率分配的角度出发,结合波束成形,设计一种多RIS辅助的人工噪声与功率分配方案,通过对基站波束成形矩阵和RIS反射系数的交替优化,并应用二分法,使得在合法接收用户信号质量不变的前提下,降低基站处发送保密信息至合法用户所需的功率,降低其接收信号的信干噪比,进而提高系统的保密容量。同时考虑到了多个RIS协作辅助保密通信不一定最优,并可能增加系统优化的复杂度,设计了多个RIS的选择方案,...     

Time-Reversal Based Secure Transmission Scheme for 5G Networks over Correlated Wireless Multi-Path Channels

Broadband wireless communication users for 5G networks are primarily implemented in a complicated environment; the complex environment of time-varying multi-path propagation characteristics will seriously affect the performance of communication. One of the core technologies to overcome this problem is to introduce the environment adaptive technique—time reversal in the wireless link. Further, the problem of a Wiretap Channel in physical layer security research has become a popular research topic in recent years. To resolve the physical layer wiretap channel and multi-path fading problems in wireless channels, a novel concept of combining time reversal technology with physical layer security technology is proposed. In this paper, a physical layer secure transmission scheme based on the joint time reversal technique and artificial noise at the sending end is proposed for the wireless multi-path channel. First, in a typical wiretap channel model, the time reversal technique is used to improve the security of the information transmission process by using the properties of spatial and temporal focusing. Second, as the information is easily eavesdropped near the focus point, artificial noise is added to the sending end to disrupt the eavesdropping capability of the eavesdropper. Finally, due to the complexity of the multi-path channels, the influence of the antenna correlation on the system security performance is considered. Compared with the existing physical layer security schemes, theoretical analysis and simulation results show that the proposed scheme has a higher secrecy signal-to-noise ratio, a higher rate of secrecy, and a lower bit error rate of legitimate user.     

一种面向无人机通信的协作干扰安全传输技术

本文利用无人机的高机动特性带来信道的动态变化这一机理,通过合理地控制无人机位置,靠近合法节点并远离窃听节点,增加合法节点的信道增益,削弱窃听节点的信道增益,从而提高信源端和目的端的安全通信容量。已有的无人机空地信道模型大多仅考虑视距传输链路,本文在此基础上增加了非视距链路（Not Line of Sight, NLOS）,并且在窃听者位置存在估计误差条件下,建立了两架无人机协同通信场景,在上述场景下通过合理规划两架无人机飞行轨迹,增强合法信道增益,削弱窃听信道增益,并联合无人机的功率分配,实现最大化平均保密速率。该优化问题为非凸问题,因此采用了连续凸近似（Successive Convex Approximation, SCA）以及块坐标下降算法 （Block Coordinate Descent Algorithm, BCD）来解决问题。仿真结果表明在视距链路和非视距链路同时存在的前提下,通过规划两架无人机的飞行轨迹,信号功率,能有效提升无人机通信系统的保密速率。      

Channel estimation for OFDM systems with transmitter diversity inmobile wireless channels

Transmitter diversity is an effective technique to improve wireless communication performance. In this paper, we investigate transmitter diversity using space-time coding for orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems in high-speed wireless data applications. We develop channel parameter estimation approaches, which are crucial for the decoding of the space-time codes, and we derive the MSE bounds of the estimators. The overall receiver performance using such a transmitter diversity scheme is demonstrated by extensive computer simulations. For an OFDM system with two transmitter antennas and two receiver antennas with transmission efficiency as high as 1.475 bits/s/Hz, the required signal-to-noise ratio is only about 7 dB for a 1% bit error rate and 9 dB for a 10% word error rate assuming channels with two-ray, typical urban, and hilly terrain delay profiles, and a 40-Hz Doppler frequency. In summary, with the proposed channel estimator, combining OPDM with transmitter diversity using space-time coding is a promising technique for highly efficient data transmission over mobile wireless channels     

窃听信道相关条件下最大比传输技术安全分析

在无线通信系统的实际传输中,当窃听用户距离合法接受者足够近,或者位于合法接收机信号的无线电波路径上时,就会出现主信道与窃听信道相关的场景。为此我们考虑一个多输入单输出,并且存在单天线被动窃听者的无线通信系统,研究了当基站采用最大比技术发射技术发送信号时,相关对系统性能的影响。推导了安全中断概率与平均安全容量的闭合表达式。数值仿真结果表明:（1）当主信道的信道质量高于窃听信道时,较低的相关对系统安全中断概率性能影响不大,然而强相关却能够带来更低的安全中断概率;（2）该相关对系统平均安全容量始终是有害的,且随着相关程度的增强,最大比发射技术相对于天线选择的优势逐渐变小。      

Compromise-resilient anti-jamming communication in wireless sensor networks

Jamming is a kind of Denial-of-Service attack in which an adversary purposefully emits radio frequency signals to corrupt the wireless transmissions among normal nodes. Although some research has been conducted on countering jamming attacks, few works consider jamming attacks launched by insiders, where an attacker first compromises some legitimate sensor nodes to acquire the common cryptographic information of the sensor network and then jams the network through those compromised nodes. In this paper, we address the insider jamming problem in wireless sensor networks. In our proposed solutions, the physical communication channel of a sensor network is determined by the group key shared by all the sensor nodes. When insider jamming happens, the network will generate a new group key to be shared only by the non-compromised nodes. After that, the insider jammers are revoked and will not be able to predict the future communication channels used by the non-compromised nodes. Specifically, we propose two compromise-resilient anti-jamming schemes: the split-pairing scheme which deals with a single insider jammer, and the key-tree-based scheme which copes with multiple colluding insider jammers. We implement and evaluate the proposed solutions using Mica2 Motes. Experimental results show that our solutions have low recovery latency and low communication overhead, and hence they are suitable for resource constrained sensor networks.     

基于智能反射表面辅助的MIMO无线通信密钥快速生成

近来,结合智能反射表面(IRS)辅助无线通信的密钥生成技术引发了学界的兴趣。然而目前的工作仅针对在单天线收发(SISO)系统中引入IRS辅助密钥生成,其IRS对密钥生成速率的提升效率不够高。针对此问题,该文研究了基于IRS结合MIMO系统的无线密钥快速生成方案,通过控制IRS反射合法双发与IRS之间的MIMO信号来构建等效的快速信道,可更显著地提升密钥生成速率(KGR)。该文首先从信息论角度对所提方案的密钥速率和安全性进行了分析与证明,推导了密钥速率性能上界的表达式。基于此,从不同的窃听场景出发,分析窃听者分别靠近合法收发方和IRS进行窃听时,其靠近的距离对密钥生成速率性能的影响,发现所提方案在密钥速率和安全性能上均得到显著提升。最后,通过仿真验证了所提方案的有效性和理论分析的正确性。     

一种适用多种空时编码方案的MIMO自编码器通信系统

为提升现有端到端通信系统的适应性与信道估计的准确性,提出了一种适用于多种空时编码方案的多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)自编码器通信系统.该系统将基于卷积神经网络的自编码器引入到MIMO系统中,并结合信道估计网络实现信道均衡,通过端到端的学习方式实现各种空时编码方案下...     

Exact Outage Probability of Two-Way Decode-and-Forward Scheme with Opportunistic Relay Selection Under Physical Layer Security

The combination of cooperative communication and physical layer security is an effective approach to overcome the disadvantages of the fading environment as well as to increase the security capacity of the wireless network. In this paper, we propose a two-way decode-and-forward scheme with a relay selection method. In the proposed protocol, two source nodes communicate with each other with the help of intermediate relays under the eavesdropping of another wireless node, called the eavesdropper node. The best relay, which is chosen by the max–min strategy, uses digital network coding to enhance secure communication and spectrum use efficiency. The system performance is analyzed and evaluated in terms of the exact closed-form outage probability over Rayleigh fading channels. The Monte-Carlo simulation results are presented to verify the theoretical analysis. Finally, the proposed protocol is compared with the two-way protocol, which does not use digital network coding.