无线平坦衰落信道的密钥生成速率研究

针对传统窃听信道模型中假定合法信道完全互易、窃听方只处理合法双方一方信号的问题,对传统的窃听信道模型进行了改进.一方面引入相关系数ρ0来刻画合法信道的互易程度,另一方面考虑窃听方能够获取并利用合法双方的信息.在此基础上,推导得到了密钥生成速率的解析表达式,并对影响密钥生成速率的因素进行了仿真分析.仿真结果表明,密钥生成速率随合法信道的相关系数ρ0、信噪比γ的增大而增大,随合法信道与窃听信道之间的相关系数ρ1、ρ2的增大而减小.     

基于相位响应独立性的衰落信道加密方法

现有的密钥加密方法无法保证密钥分发的安全性。针对上述问题,提出了一种基于信道相位响应独立性的衰落信道加密方法。通过将发送方和窃听方之间的信道化为两个信道的级联计算得出密钥各态历经的安全容量,在此基础上,对离散PSK信源加密的参数进行了讨论,最终实现信息的加密。仿真结果表明,当合法接收方的接收信号相位估计误差为0．001时,误码率会迅速上升为0．5。     

无线通信中基于量化隔离带的新型相位密钥生成方法

针对无线通信中利用物理层属性进行加密存在的密钥不一致以及密钥生成速率不高的问题,给出了一种基于信道量化隔离带的相位密钥生成新方法.利用相位均匀分布的属性,产生的密钥具有良好的随机性及均匀分布特性.利用信道量化隔离带的方法,在量化边界处设立隔离带,对产生误判概率较大的接收值进行删除,有效提高了生成的密钥一致性.仿真结果表明,该方法在提高密钥生成速率的同时确保了生成的密钥的准确性.     

基于接收信号的多用户密钥生成方案

基于信道特征生成密钥的方案为通信安全带来了新思路。但在多用户慢衰落条件下,基于信道特征的密钥生成方案由于参数变化慢,导致密钥更新慢。针对此问题,提出了基于接收信号的多用户密钥生成方案,即通过块对角化预编码实现多个随机信号流的分发,使基站与用户能够从用户接收信号中提取密钥。仿真结果表明,提出的基于接收信号的多用户密钥生成方案能够有效提高多用户在准静态及慢衰落条件下的密钥速率。     

基于无线信道特征的密钥生成与提取研究

基于无线物理层信道特征参数构建密钥是依据无线信道衰落和噪声的客观存在,利用通信双方共享信道的时变性、互易性及唯一性,在评估彼此高度相关的信道参数的基础上协商提取密钥的一种物理层安全"一次一密"解决方案,具有无条件安全的属性。由于这方面的研究在现实应用中既可避免现行"四次握手"导致的安全漏洞,又摆脱了预分发密钥机制的限制,从而成为了无线网络安全领域的热点之一。对此领域的理论基础进行了分析,对物理层信道特征密钥生成和密钥提取这两个关键技术问题的研究现状进行了梳理,并按照评价指标探讨了现有方案存在的一些问题。最后,讨论了下一步研究的重点。     

不同环境下无线信道密钥生成性能研究

在无线通信物理层安全的研究中,通信双方的信道具有很好的短时互易性,可以从无线信道中提取出相似的信道特征并生成一致的密钥.该技术可以利用无线信道天然的随机性为无线通信系统实时的分配对称密钥.本文利用通用软件无线电平台(USRP)设计并实现了实时的无线信道密钥生成系统.基于设计的无线密钥生成系统,本文在室内房间、室内走廊、空旷室外三种不同场景中的终端固定、终端移动以及人员走动三种不同信道环境下长时间测量了无线信道并生成了密钥.通过分析合法通信双方和窃听者信道状态信息(CSI)的互易性、CSI信息泄露率、CSI随机性、密钥随机性四个指标,详细分析了不同场景及环境下无线信道密钥生成技术的安全性与可靠性.通过实验表明,空旷室外信道随机性最高,室内走廊随机性其次,室内房间随机性最低.此外,周围环境变化愈快,信道随机性愈高.通过选择合适的密钥生成参数,都可以在不同的场景及环境下生成满足随机性要求的密钥.     

基于潜信道的IPSec密钥恢复方案

传统密钥恢复协议采取增加密钥恢复字段的方法,恶意攻击者容易辨别具备密钥恢复功能的数据包,并进行过滤阻挠。该文将潜信道密钥恢复与具体协议相结合,提出基于IPSec协议的密钥恢复方案。该方案易于实施,数据包具有不可过滤性,可避免恶意攻击者的过滤阻挠,进行有效的网络监控。     

基于多比特自适应量化方案的相位密钥生成方法

本文利用时分系统无线信道的互易性,对两个节点之间的信道相位进行测量从而提取密钥比特,使得可以在信道估计时获得密钥,无需进行预分配。本文提出了一种多比特自适应量化方案,将信道测量值量化成多个比特,并给出了密钥一致性概率理论推导。仿真结果表明,方案可以达到较高的密钥生成一致率,并具有一定的抗干扰能力。     

多径衰落信道MIMO-OFDM系统容量分析与仿真

为了分析MIMO-OFDM系统性能,研究了MIMO-OFDM系统在瑞利多径信道下的容量.首先,就可识别路径数及信道相关性对MIMO-OFDM系统容量影响进行了分析与仿真,仿真结果表明,MIMO-OFDM系统的容量随着多径数的增加而增加,但当多径数较大时,容量增加量逐渐减小;相关性给MIMO-OFDM系统带来容量损失,随着相关程度的增加,容量损失急剧增加.其次,对MIMO及MIMO-OFDM系统容量进行了比较,研究表明,MIMO-OFDM系统的容量集中度比MIMO系统好,并且,信噪比为10dB时,MIMO-OFDM系统的容量比MIMO系统容量大4bit/s/Hz左右.     

双场量子密钥分发协议的相位离散化分析

双场量子密钥分发协议（TF-QKD）的提出,突破性地将密钥速率改善为与信道透过率的平方根相关,可以在没有量子中继器的情况下克服密钥速率容量界。在传统的TF-QKD协议中,需要相干光源所添加的随机相位是连续的。然而在现实条件中,这样的假设经常无法满足,由此会降低协议的实际安全性。针对此问题提出了一种在测试模式和编码模式下具有随机相位离散化特征的TF-QKD协议,并使用了离散随机相位情况下的诱骗态方法进行分析。仿真结果表明,只需要少量的离散相位,随机相位离散化TF-QKD协议的密钥速率也可以超过密钥速率容量界,从而为TF-QKD协议的实际应用提供参考。     

瑞利衰落信道下基于生成矩阵的LDPC性能研究

LDPC码是一种具有稀疏校验矩阵的分组纠错码。LDPC码作为高传输速率通信系统的信道编码,具有吞吐量大、高速译码速率和较低错误率的优点,但存在编码复杂度较高和编码时延较长的缺点。笔者针对LDPC码进行改进,设计一种基于生成矩阵构造的LDPC码,从而实现线性编码,并通过仿真研究其在瑞利衰落信道下的性能,得出系统的误码率曲线。     

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。     

矿井移动通信中Nakagami衰落信道模型的研究

根据目前矿井移动通信的发展状况,针对矿井无线信道快衰落多径信号幅度统计特性的可变性,提出了一种基于Matlab的Nakagami幅度统计衰落信道仿真模型。利用该模型,对空直巷道中收发信机在相同传输距离下,针对900 MHz、1 800 MHz和2.45 GHz频段的电磁波对Nakagami衰落的影响进行了仿真,并将QPSK信号作为输入信号进一步的验证。结果表明,该模型具有创建过程简单,可操作性强,对矿井移动通信信道衰落过程描述较为精确等优点,这对矿井移动通信整体性能的提高具有较大的参考价值。     

多天线Rayleigh衰落相关信道的平均信道容量

研究了空间衰落相关的Rayleigh信道的平均信道容量,其发射端和接收端均采用多天线系统.在实际情况中,接收端有理想的信道状态信息,而发射端没有任何信道信息,因此在各发射天线上采用等功率分配进行发射.本文推导了具有2根发射天线和多根接收天线（TIMO）衰落相关信道的平均信道容量,将其和Monte-Carlo仿真结果比较,并进一步研究空间相关性对信道容量的影响.数值结果表明：信道的空间相关性降低了平均信道容量,而且不同于多入单出（MISO）信道,当信噪比一直增大,由相关性带来的容量损失也增大且不收敛.     

面向无人机空地通信的无线信道密钥生成技术研究

无人机(unmanned aerial vehicles, UAVs)部署为空中通信节点为地面用户提供服务是未来非常具有吸引力的通信手段,基于信道密钥生成的方式可用于解决无线通信的安全问题.但空地信道的信道特征在短时间内互易性不佳的特点,会导致信道密钥生成性能急剧下降.针对这一问题,本文针对无人机测控单载波频域均衡(signal carrier frequency-domain equalization, SC-FDE)通信体制,提出了一种基于信道频域响应幅度最大值位置变化的单比特信道特征量化方法设计,所提量化方法有效融合了信道频域响应的幅度和位置信息,降低了初始密钥的不一致率.进一步,基于此量化方法设计了一整套可应用于无人机测控通信的密钥生成方案.最后,利用Xilinx的ZYNQ平台,搭建实现了实时的测控信道密钥生成系统,验证了所提方案在无人机空地信道下的可行性和可靠性.特别地,基于搭建的无线信道密钥生成系统,在节点静止、运动等不同无人机空地通信场景下进行了外场测试.结果表明,在终端运动状态下生成的密钥可以通过NIST随机性测试,且其密钥生成速率达28 bps.     

基于对称图像的双随机相位加密隐藏技术

在双随机相位编码的基础上,提出以一幅完全对称的图像为宿主图像进行灰度图像加密隐藏的方法。将待隐藏的灰度图像进行双随机相位编码,根据对称图像的性质将编码信息的实部和虚部以一定的权值分别隐藏于宿主图像的相应子图像中,解密后能够得到完全无失真的再现图像。实验结果表明,在知道密钥的情况下,只须极小地叠加权值就能完全无失真地提取隐藏图像。     

基于时变水声信道的物理层密钥生成方案

随着无线网络的不断发展,物理层安全问题逐渐成为广泛关注的焦点.针对水声信道存在的多径效应和多普勒效应,如何在合法节点比敌手对声源信息不确定性更高的情况下提取出高度保密的公共密钥这一问题,提出一种基于时变水声信道的物理层密钥生成方案.首次准确刻画出多径多普勒效应下的α阶Rényi熵,并得出合法节点和敌手关于声源序列的不确定性.在此基础上,提出一种具有强安全性的密钥协商协议,该协议利用Hash函数构造一元高阶多项式完成通信双方的身份认证,实现索引序列和预选密钥在公开信道下的安全传输.此外,利用双线性映射设计出一种不依赖随机种子长度与随机性并能抗主动攻击的保密增强协议.通过信息理论,证明了方案的健壮性、保密性和正确性,并得出密钥泄露率和敌手主动攻击成功率的上界.仿真实验表明,当声源信息量为50 000 b时,该方案密钥泄露率的上界为3.74×10\\+\\{-6\\},敌手主动攻击成功率的上界为5.468×10\\+\\{-20\\},验证了方案的可行性.     

基于MCM的多径非相关无线信道改进模型研究

为了改善瑞利衰落信道单径自相关统计特性,提出了一种改进的多径非相关无线信道仿真模型。该模型首次在蒙特卡罗法（MCM）的到达角（AOA）中引入多径因素k,改进了模型AOA的取值方法。通过对信道模型参数AOA、k、低频振荡器个数N以及均方误差（MSE）的仿真分析,结果表明,该模型在相关统计特性方面与参考模型相比具有极好的吻合性;其次,与MCM相比,在实现开销相同的情况下,改进的新模型在最大允许时间间隔内,衰落信道单径自相关函数的MSE约为MCM的四分之一,精度有了明显的提高,能更加准确地描述无线信道。新模型为无线信道仿真器的设计、频率选择性信道的建模等提供了一种新的方法。