静态场景下基于RIS天线的物理层密钥生成方案

针对静态环境下密钥容量低的问题,首次将RIS天线配置在基站设备端用于密钥生成,通过捷变控制RIS单元相移变化,生成随机快变波束,并与原通信信道合并构成新的等价通信信道,从而使密钥容量不受制于自然信道变化速度.然后推导了该方案下密钥容量闭式解,理论分析及仿真表明使用有限单元即可达到与快变信道环境下同等性能,相较于RIS作...     

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TCM的慢衰落信道密钥协商方法

当信道变化较慢时,无法利用无线信道的时变冗余特性实现密钥协商。针对上述问题,给出了一种基于网格编码调制(TCM)的慢衰落信道密钥协商方法。对随机生成的密钥序列进行TCM编码得到带有冗余的密钥信息,并利用两端的保密序列分别对密钥信息进行隐藏与恢复,同时利用密钥信息中的冗余纠正两端的保密序列不一致引起的恢复误差,最终获得一致的密钥序列。仿真结果表明,在比特率为10-4时,该方法比现有方法有将近5 d B的增益。     

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.     

窄带信道中基于接收信号相位的密钥容量研究

无线信道具有互易性、时变性和空变性等特点,合法双方可以利用无线信道的特性生成共享密钥。基于此,提出一种密钥容量的求解方法。对窄带信道中基于相关随机源模型的窃听信道进行合理建模,利用信息论及随机信号分析理论,对基于接收信号相位信息的密钥容量进行推导,得到密钥容量的表达式。仿真结果表明,密钥容量随信噪比与合法双方信道相关系数的增大而增大,且基于接收信号相位的密钥容量小于基于接收信号的密钥容量,因此,合法双方为得到更长的密钥,可以进行接收信号包络、相位信息的联合提取。     

基于几何方法与二叉密钥树的群组密钥管理

目前越来越多的应用需要群组通信的模式.利用多维空间圆的几何性质设计了安全群组通信密钥管理方案,该方案分为用户注册、分配组密钥影子、成员计算组密钥等3个阶段.用户注册阶段使成员与群组管理器共享一个长期秘密;在分配组密钥影子阶段,群组管理器利用几何方法为成员分配组密钥影子;在成员计算组密钥阶段,成员通过公告牌上的公开信息与自己拥有的私有信息重构圆而获得组密钥.在简单群组密钥分配的基础上,建立二叉树结构的密钥树进行组密钥分配,其组密钥更新的计算代价从O(m)降低到O(log(m)),公开信息无需变化,无需安全信道,使方案具可有扩展性.     

基于深度学习的RCF-mm MIMO系统信道估计算法

针对无蜂窝毫米波大规模多输入多输出(CF-mmMIMO)系统信道估计存在的计算复杂度高、导频开销大等问题,提出一种基于深度学习的可重构智能表面(RIS)辅助CF-mmMIMO(RCF-mmMIMO)系统的信道估计算法。该算法引入RIS替代一部分毫米波接入点(AP),增大CF-mmMIMO下的毫米波覆盖范围和信号强度,在一定程度上解决无蜂窝架构下毫米波AP数量众多硬件成本高的问题。对同一AP上不同组天线的RIS级联信道映射关系的存在性进行证明,并通过FCNN神经网络对该信道映射进行建模,显著降低无蜂窝系统中央处理单元处理信道估计时高计算量和高导频开销。仿真实验表明,信道估计算法能够在低计算复杂度、低导频开销下有效提高信道估计的准确性,显著提高系统传输效率。     

基于DRL的主动RIS安全无线通信优化方法

针对可重构智能表面(reconfigurable intelligent surface, RIS)辅助的安全无线通信系统在保密率优化问题中存在的信道空间连续变化、传统数学优化方法难以逼近最优解等问题，提出一种基于深度强化学习的SEC-DDPG(security deep deterministic policy gradient)算法。通过将RIS通信系统建模为连续变化空间中的马尔可夫决策过程，联合优化传输波束赋形和反射波束赋形达到最大化用户保密率的目的。仿真实验结果显示，在不同的传输功率及反射单元数量下，SEC-DDPG算法在主动和被动RIS系统中得到的最优保密率均比传统的交替优化算法有15%～20%的提升。研究结果表明，主动RIS场景下的安全性要优于被动RIS,与交替优化算法相比，SEC-DDPG算法能显著提高安全无线通信系统的用户保密率且具有鲁棒性，接近系统的最佳保密性能。     

密钥弹性泄漏安全的通配模板层次委托加密机制

传统的密码方案假定密钥对可能的攻击者来说是完全隐藏的(只有算法是公开的),敌手无法获得有关密钥的任何信息.但在实际系统中,攻击者可在噪声信道或由侧信道攻击获得有关密钥的部分信息.密钥弹性泄漏安全的加密方案通过改进密码算法达到在密钥存在可能部分泄漏情况下的语义安全性.设计了一个抗密钥弹性泄漏的可委托层次模板加密方案.在该方案中,用户身份关联到含有通配符的身份模板,并可以实现再次密钥委托.该方案是抗泄漏的层次身份加密方案(hierarchical identity-based encryption,简称HIBE)和隐藏向量加密方案(hidden vector encryption,简称HVE)的一般扩展,可有效地抵抗密钥弹性泄漏,并达到自适应语义安全性.同时给出该方案的安全性证明和系统抗泄漏性能,分析显示,该方案具有较好的密钥泄漏容忍性.     

基于假名标识的加密RFID系统无线密钥生成协议

针对无线射频识别(RFID)系统密钥生成过程中存在的密钥托管、无线信道不安全和标签成本过高的问题,提出一种RFID系统密钥无线生成协议。在前、后向信道均可被窃听的假设前提下,通过引入假名标识以防止秘密信息泄露,仅采用简单位运算降低标签成本与计算量,利用异或和移位运算对通信信息进行加密传输,从而保证协议的安全性,并运用GNY逻辑对协议进行形式化证明。分别在单标签个体密钥生成、批量标签个体密钥生成以及群组标签组密钥生成3种应用下对协议进行安全与性能分析,结果表明,该协议具有较高的安全性和较低的成本。     

SSL协议隐蔽通道的研究与实现

为提升隐蔽通道的网络穿透能力及抗分析性能,提出了一种基于SSL安全协议的新型隐蔽通道。通过SSL握手报文的随机数字段建立隐蔽域,利用SSL握手协商构建消息通道,采用一包一密进行流量变形伪装,通过访问HTTPS服务实现网络隐蔽通道传输。在多种不同HTTPS环境下的实验验证了该方法的可行性,测试结果表明,相比传统存储型隐蔽通道,该隐蔽信道的容量有大幅度提高,单个报文可携带28 Byte信息,且具有更高的抗隐蔽域估计及抗统计画像能力。     

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。     

基于智能反射面辅助与无线中继的无人机协作通信系统优化算法

针对采用智能反射面（RIS）辅助与解码转发中继的无人机协作通信系统,研究了RIS反射相位、无人机部署位置和无线中继传输时隙联合优化算法。首先根据协作系统传输协议,建立了以最大化系统端到端信息传输可达速率为目标的资源分配联合优化问题。该问题非凸,为此提出一个交替优化算法,将该非凸问题分解为分别对RIS反射相位、无人机部署位置和协作中继传输时隙进行优化的三个子问题。其中RIS反射相位优化子问题和无人机部署位置优化子问题仍非凸,为此,分别采用半定松弛方法和提出一种基于连续凸逼近的局部区域优化方法进行求解,通过三个子问题的交替和迭代优化得到原问题的次优解。仿真结果验证了提出的联合优化算法获得的系统端到端信息传输可达速率优于其他的基准方案,并发现无人机应部署靠近中继或RIS的上方,其结果与系统的信噪比、RIS的反射元件数量以及RIS和中继所处地理位置等因素有关。     

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.     

非完美信道估计条件下多比特量化无线密钥生成性能分析

针对无线密钥生成过程中的信道估计误差导致信道测量参数互易性差,严重影响通信双方生成密钥一致性的问题,提出了非完美信道估计条件下多比特量化无线密钥生成方案。首先,建立信道估计误差模型,研究非完美信道估计对无线密钥生成的影响,然后设计添加保护带的多比特密钥量化器,通过优化量化参数改善无线密钥性能。推导得到了密钥不一致率（KDR）和有效密钥速率（EKGR）的闭式表达结果,并揭示了导频信号功率、量化阶数和保护带与以上两个密钥性能指标的关系。仿真结果表明：增大发送导频功率可以有效降低密钥不一致率,提高量化阶数可以提升密钥生成速率但KDR也随之升高,增大量化阶数同时选择合适的保护带大小可以有效降低KDR。     

基于非线性能量收集的全双工认知中继网络的联合优化方法

针对信息传输过程的时间消耗和信道估计误差对网络能效的影响,提出了一种基于非线性能量收集的全双工认知中继网络的联合优化方法。所提方法是在中继采用非线性能量收集并考虑非完美信道状态信息（CSI）的情况下,首先通过将能效非凸优化问题转化为两个凸的子优化问题,从而求出次用户和中继的传输功率以及收集的能量;其次,在保证主用户干扰门限以及最优传输功率非负的情况下,求出传输的信道容量范围;最后,将传输功率代入表达式得到关于时间的目标函数,并利用海森矩阵证明该目标函数为凸函数,进而求出最优传输时间以及功率分割因子,最终得出能效最优解。实验结果表明,在相同条件下,所提联合优化方法的能效相较于仅优化传输功率的能效提升了约84.3%;同时验证了信道估计误差因子为0.01时,所提方法的网络能效降低了约1.9%。     

6G可重构智能表面的相移模型设计

为了解决中继通信的耗能高以及5G基站的建设难度高的问题，在6G移动通信中引入对可重构智能表面（RIS）技术的研究。针对截断的哈达玛（Hadamard）矩阵和离散傅里叶变换（DFT）矩阵在构建智能表面时失去特性和不稳定问题，提出一种基于汉克尔（Hankel）矩阵和托普利兹（Toeplitz）矩阵来构建酉矩阵的RIS相移模型设计方案。利用酉矩阵的特性来最小化信道误差，提高通信信道的可靠性。仿真结果表明，在RIS单元数为15时，相较于非RIS辅助通信，RIS辅助通信的用户速率可以获得1 （bit·s^-1）/Hz的增益，而伴随着RIS单元数的增加，RIS辅助通信的用户接收速率的增益将更为显著；并且当RIS单元数为4时，相较于DFT矩阵构建智能反射面的方式，利用得到的两个酉矩阵构建的反射面的可靠性更高，约可获得0.5 dB的性能增益。     

基于干扰估计的WSN链路自适应控制方法

针对现有的无线传感器网络传输功率控制算法未充分考虑实际信道干扰的问题,给出了基于干扰估计的最优传输功率计算方法;考虑到通信信道及活跃节点数目的时变性,提出了自适应速率调整算法;最后通过试验验证了所提方法的可行性。     

基于票据的跨域单点登录

针对单点登录中的跨域身份认证问题,提出了一种基于票据的解决方案,以地址重定向的方式传递加密用户登录信息,异域应用系统获取用户信息并提供数据操作服务。使用随机数字生成票据,并作为生成传统加密算法会话密钥的参数,采用现代加密算法实现异域系统之间的互信并安全传递票据,异域应用系统根据票据产生会话密钥,加密并传输用户登录信息,每次会话产生新的密钥。通过对票据产生和传输以及密钥的安全性分析,可以实现跨域单点登录的功能并保证身份认证安全可信。     

Doubly selective fading channel estimation in MIMO OFDM systems

Recent researches in the information theory have demonstrated that MIMO commu nication systems have the potential to provide the linear increase in the channel capacity and frequency spectral efficiencies compared with single-input single-output (SISO communication systems. MIMO is one of the major development aspects in the new generation mobile communication technology, in which plenty spatio-temporal signa processing problems need to be resolved. Especially when MIMO channels are time…