无线通信物理层安全技术研究

无线通信天然的多径时变的特性,为其在物理层进行保密传输提供了可能性。文章分析了物理层安全技术的技术背景和研究现状,对于其理论基础,以及关键技术进行了重点的介绍,并对比分析了其中的一些技术方案。近年来,物理层安全技术已经逐步成为研究的热点,在编码技术,协作干扰,密钥产生等研究方向上已经有了相当程度的进展,正在逐步从理论走向应用。     

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.     

多用户OFDM系统物理层安全资源分配方案

现有多用户正交频分复用(OFDM)无线通信系统的资源分配方案未考虑安全传输问题。为此,提出一种物理层安全约束下的资源分配方案,从信息安全理论的角度构建多用户OFDM系统窃听信道模型,在此基础上,利用子载波与功率的联合优化分配方案,在满足各用户安全服务质量(QoS)需求的条件下,通过对偶分解实现系统保密容量最大化的优化目标。仿真结果表明,当系统选用64个子载波为8个授权用户提供服务时,该分配方案在满足各授权用户安全QoS需求的同时,其保密容量相比参考方案最多可提高2.071 bit/s/Hz。     

无线通信物理层安全方法综述

随着无线终端数目的急剧增加以及无线网络的开放性,无线通信的安全问题面临着严重的挑战。与传统加密方法不同,无线通信物理层安全方法从信息论的角度出发,旨在实现无条件安全。本文回顾了Shannon建立的无线通信物理层安全模型,并着重回顾了由Wyner引导的无密钥安全和由Maurer引导的基于无线信道密钥的两大物理层安全分支的发展。其中前者通过波束形成或人工噪声的方法增加合法信道和窃听信道之间的差距;后者则利用无线信道的特性,将其作为产生密钥的天然随机源。在第五代移动通信方式下,物理层安全可以实现轻量级的加解密技术,解决传统加解密延时过长的问题。然而虽然物理层安全的理论研究已日趋成熟,该领域在实际应用中仍有很多问题亟待解决。     

认知中继网络的物理层安全

对认知中继网络中主用户和认知用户的中断概率和窃听概率进行了研究,提出了一种根据窃听行为改变传输方式（CTMEB）的方案,即主用户和认知用户会根据是否被窃听用户窃听而采用不同的信号传输方式。若E只窃听CS,主用户采用直接传输的方式传递信号;若E窃听CS和PS,主用户根据信道状态选择信噪比较高的路线传输信号。分析推导出了窃听CS与窃听CS和PS时主用户和认知用户的中断概率和窃听概率。通过MATLAB验证了采用CTMEB方案对提高主用户和认知用户的窃听概率和中断概率的有效性。     

物联网安全技术专栏序言(中英文)

物联网的概念已经被提出20多年的时间了,国内对物联网技术和产业的重视是在2009年之后.从2009年开始,国家在物联网相关领域无论从政策方面还是在资金方面都给予了高度的重视和支持.物联网的概念经过最初的热捧阶段,到之后的冷却阶段,再到后来的逐步落地阶段,物联网相关技术和产品慢慢从虚无缥缈发展到实实在在的产业应用.物联网系统和技术不仅应用于许多行业领域,也在不知不觉中走进人们的日常生活:智能家居、智慧交通、智慧医疗、智慧城市,都是人们生活中能感受到的物联网技术的产物.     

基于可靠度混合重传协议的物理层安全通信技术

在物理层安全通信系统中,现有混合重传(HARQ)技术在合法用户出错时会重传整个数据,从而使窃听用户获得大量有用信息。针对上述问题,引入基于可靠度混合重传协议(RB-HARQ),提出一种安全的通信技术。RB-HARQ可以仅重传合法用户最可能出错的比特,使泄露给窃听用户的有用重传信息减少,从而实现安全可靠通信。仿真结果表明,与传统HARQ协议相比,该协议能提高通信系统的物理层安全性能。     

智能窃听攻击下的物理层安全技术研究北大核心CSCD

随着无线电磁设备的不断发展,智能窃听攻击给无线通信领域带来了新挑战。近年来,物理层安全技术作为保障无线通信安全的一种可选技术,获得了人们的广泛关注,尤其是针对智能窃听攻击的研究,取得了重要成果。文章从信号处理技术和无线资源管理两个方面切入,对当前基于物理层安全技术的抗智能窃听研究现状进行总结归纳,并对未来研究方向进行展望。     

被动窃听环境中基于信道状态信息的物理层安全预编码设计

在被动窃听的多径信道场景下,窃听者（EaVEsdropper,Eve）仅被动窃听,不发射任何无线电信号,发射端（Alice）无法确定Eve的任何信息,给信息的安全传输带来了极大挑战。为了保障信息的安全传输,在Alice已知合法接收者（Bob）的信道状态信息（CSI）但是未知Eve的CSI的情况下,提出一种保障Bob的物理层安全的预编码方案,通过提高Bob接收信号的质量来提高系统的安全性能。首先,在不考虑Eve的情况下,仅根据已知的Bob的CSI给出可达Bob信道容量上界的预编码方案;利用Alice-Bob和Alice-Eve链路之间的信道特异性获得稳定的安全容量;然后,在瑞利平坦衰落环境下,通过Bob的中断概率推导出Bob的平均误码率（BER）准确的闭合表达式。仿真实验结果表明,所提方案在不改变接收机复杂度的基础上,能够保证Bob的信道容量始终优于Eve的信道容量。同时,所提方案能够在Eve的BER性能受到较大抑制的条件下,有效改善Bob的BER性能,即使Eve位置条件优于Bob也能保证安全容量始终存在。     

无线通信物理层安全问题中一类鲁棒优化问题

考虑无线通信的物理层安全模型,其中一对用户在有窃听者存在的条件下通过中继转发辅助进行通信。我们将运用物理层安全技术,即设计中继的波束成形向量,在保证用户通信质量和确保窃听者不会窃听到有用信息的同时,极小化中继的总发送功率。由于窃听者位置未知,用户与中继到窃听者的信道状态信息是不完全的,相应的优化问题是一个鲁棒优化问题。本文首先对鲁棒约束进行放缩,松弛掉其中部分鲁棒参数。通过S-引理、半定规划松弛等技巧,可以求得松弛以后的鲁棒优化问题的最优解。数值实验证实,本文提出的模型和算法相比较已有工作,可以得到更低的中继发送总功率,算法的计算复杂度更低,算法更加高效。     

无线物理层信息安全探析

在无线传输的过程中,通信的信号往往容易被第三方窃听,为了防止这类情况出现,利用多波束发射技术可以减少的人工噪声干扰,能够物理层安全通信信息的安全,在信号的发送端将信号和人工噪声同时发送,通过天线加权调整信息的方向图主瓣的接收方位,能够有效的消除噪声干扰。     

面向物理层信息安全的QC-LDPC跳码设计

低密度奇偶校验（Low density parity check, LDPC）跳码可以在物理层基于跳变的校验矩阵进行差错控制编译码。准循环低密度奇偶校验码（Quasi-cyclic low density parity check code, QC-LDPC）因其良好的纠错性能和易于工程实现的优点而得到广泛应用。本文提出了一种简单且易于工程实现的QC-LDPC跳码设计方法。首先采用有限域的两类子群设计跳变的基矩阵,再通过基模图码的外信息转移算法对基矩阵散列的校验矩阵进行掩模,使跳变矩阵具有统一架构和快速编码结构。仿真和分析表明,设计的QC-LDPC跳码具有超大的跳变码集和良好的纠错性能,码集中LDPC码数目可达10³⁴个,随着码长增加,码集中的LDPC码数目呈指数倍增加,其平均性能可与诸多协议中的LDPC码相当,可用于提升通信系统的可靠性和安全性。     

面向无线传感网的物理层安全性能分析

无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)在实现万物互联的同时,无线通信安全面临挑战.WSN网络节点随机分散部署,网络结构动态变化,使得现有安全通信方案无法直接应用.针对该问题,应用随机泊松点过程对网络节点进行位置建模,以安全中断概率、连接中断概率为指标,应用随机几何工具对无线传感网系统的...     

一种基于PUF的物理层安全认证方法

传统无线通信的认证主要依赖于上层加密机制,无法保证系统处理的实时性与物理层的安全性。文章设计了一种基于物理不可克隆函数(Physical Unclonable Function,PUF)进行物理层安全认证的方案,利用硬件固有的激励-响应对(Chalenge-Response Pair,CRP)的唯一性与发送信息的随机性实时生成验证标签,在接收端通过比较接收与生成的标签来识别接收信号与其发射端,为物理层的信息安全提供有效保护。该方法不需要复杂的密码算法,减小了通信过程中的计算量。仿真结果表明,该方法有较高的实用价值。     

基于第二层物理隔离的网络安全模型

本文根据计算机网络的组成原理和体系结构,分析了物理隔离的本质内涵,提出一种行之有效的基于第二层物理隔离的网络信息系统安全解决方案。     

协作通信中基于斯塔科尔伯格博弈的物理层安全分析

物理层安全不是利用传统的密钥加密,而是利用信道的传输特性使得合法的通信双方实现安全传输的方法。无线协作通信中节点行为对物理层安全的影响是至关重要的。本文应用斯塔科尔伯格博弈模型研究节点之间的利益,在中继自私的协作放大转发网络中,得到网络中节点之间的效用平衡的最优解存在条件,并提出一种分布式算法,找到网络平衡下的最优安全性能解。     

基于中继联合优化选择的物理层安全方案

针对认知无线电(CR)网络中的安全传输问题,提出基于传输中继和干扰中继联合优化选择的物理层安全方案。在主用户网络和次用户网络共存的环境中,通过优化选取协作传输中继和协作干扰中继实现信息的安全传输,并分析推导出瑞利衰落环境下该方案保密中断概率的闭式表达式。仿真结果表明,在不同参数场景下,该方案均可实现较低的保密中断概率,提升CR网络的信息传输安全性能。