6G无线内生安全理念与构想

6G开放融合、异构共存、智能互联的网络特点将引发更多未知复杂安全威胁,目前安全滞后于通信发展的格局必然难以应对, 6G时代必须打破思维定势,催生真正具有代际效应的标志性技术.内生安全从无线网络内源性缺陷产生的共性和本源安全问题出发,通过结构导向的解决方法,具有抵御未知安全威胁的能力和通信/安全/服务内源性融合的能力.本文对6G无线网络内生安全问题、理念进行了探讨,并提出内生安全在6G超高速宽带通信、超大连接超低时延、天地一体化全域覆盖等典型场景中的应用构想,给出了若干潜在关键技术和解决方案.     

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。     

无线物理层密钥生成技术发展及新的挑战

物理层安全技术从信息论安全理论出发,保障通信安全,是实现安全与通信一体化的关键手段,逐渐成为国内外研究热点。该文围绕无线通信物理层密钥生成技术研究,主要聚焦在物理层密钥生成技术的理论模型,机制机理和研究现状,重点对比分析了两种不同类型密钥生成算法,即源型密钥生成算法和信道型密钥生成算法的区别和联系,揭示了物理层密钥技术利用通信信道内在安全属性促进通信安全的实质。特别地,该文给出了一种可行的物理层密钥生成5G工程实现框架。最后,该文展望了物理层密钥生成技术未来可能的研究方向。     

基于极化码的无协商密钥物理层安全传输方案

针对现有的密钥生成方案需要在通信流程中增加额外的密钥协商协议，导致在5G等标准通信系统中应用受限的问题，该文提出一种基于极化码的无协商密钥物理层安全传输方案。首先基于信道特征提取未协商的物理层密钥，然后针对物理信道与密钥加密信道共同构成的等效信道设计极化码，最后利用未协商的物理层密钥对编码后的序列进行简单的模二加加密后传输。该方案通过针对性设计的极化码纠正密钥差异和噪声引起的比特错误，实现可靠的安全传输。仿真表明，该文基于等效信道设计的极化码在保证合法双方以最优的码率可靠传输的同时可以防止窃听者窃听，实现了安全与通信的一体化。     

基于改进阻塞矩阵的DMA小信号主瓣保形与导向失配恢复方案

传统阵列天线在运用阻塞矩阵预处理对抗主瓣强干扰过程中，期望小信号会出现主瓣失真，峰值偏移和旁边电平上升，造成一定的信息损失，影响阵列天线接收信号的输出信干噪比(Signal-to-Interference-Noise Ratio, SINR)。为解决这个问题，提出一种基于改进阻塞矩阵的动态超材料天线(Dynamic Metamaterial Antenna, DMA)小信号主瓣保形与导向失配恢复方案。首先，基于DMA结构特性设计改进阻塞矩阵，对接收信号进行预处理；其次，采用权矢量补偿方法对小信号的导向矢量进行变换；最后，通过自适应空域滤波算法设计求解DMA的方向图状态向量，在天线射频前端实现了空域滤波小信号匹配接收。仿真结果表明，经过阻塞矩阵预处理后的DMA比传统天线具有更好的空域波束赋形能力。所提方案能够有效对抗主瓣存在强干扰的情况，降低主瓣失真，恢复小信号主瓣峰值偏移的导向矢量，进一步提高期望小信号的接收增益，证明所提算法的有效性以及优于传统天线阵列波束形成方法的优势。     

基于物理层密钥的消息加密和认证机制

针对传统高层消息认证存在密钥泄露隐患、物理层消息认证无法防止被动窃听的问题,提出一种基于无线物理层特征的消息加密和认证机制。通过提取无线信道特征生成物理层密钥,并与身份密钥结合生成种子密钥;随后根据提取的种子通过密钥流生成器产生密钥流对消息进行加解密,对传输数据的私密性进行保护;最后接收方通过 CRC 校验结果对接收消息的真实性、完整性进行认证。仿真结果表明,该方法在防止被动窃听和主动攻击上具有更好的性能,密钥流随机性显著提高,认证漏检率降低约12。     

基于无线信道差异的隐蔽通信

本文在背景噪声存在不确定性的无线通信中,研究对于监控方检测最有利条件下的单向隐蔽通信问题.首先,根据接收方检测能力存在极限的事实,利用信道预编码保证在接收方处汇聚的信号功率超过其检测阈值,同时保证在监控方处弥散的信号功率低于检测阈值,进而实现基于信道差异的隐蔽通信.其次,本文推导了平均遍历隐蔽通信速率的闭式解.理论分析...     

基于超表面天线阵列的射频前端与数字后端联合抗干扰方案（英文）

阵列自由度的大小决定了能够应对的干扰数量与抗干扰性能。现有阵列只能通过增加天线数量提高自由度。另一方面,接收信号在进行数字化时,大功率干扰将导致用于表示期望信号的模数转换器（ADC）量化位位数下降,进一步提高后端基于数字信号处理的抗干扰难度。本文提出一种基于超表面天线阵列的射频前端与数字后端联合抗干扰方案,利用超表面天线快速可重构能力,对同一信号切换不同方向图接收,令单通道等效为多通道,提高阵列自由度。利用独立成分分析获得信道盲估计结果,在天线最小信干比约束条件下对天线参数进行优化设计。在高功率干扰条件下,通过在射频前端抑制干扰,采用较低位数的ADC,阵列也能具有较好的抗干扰性能。仿真结果表明,本文所提方案相比于传统阵列,令接收信号的误比特率降低了一个数量级。     

基于多随机信号流的密钥生成方案

基于随机信号流的密钥生成方案会在合法发送方发送随机信号时泄露部分共享随机源信息导致密钥安全性和可达密钥速率较低。针对此问题,该文提出一种基于多随机信号流的密钥生成方案。首先,发送方利用信道互易性和上行导频估计下行信道,然后发送方在各天线上发送相互独立的随机信号流。由于窃听者难以准确估计所有随机信号流,因此难以窃取接收方每根天线接收到的叠加随机信号,而发送方则可根据估计的下行信道和自身发送的随机信号流计算出接收方各天线的接收信号。因此,可以将接收天线上的叠加随机信号作为共享随机源提取密钥。进一步地,该文还推导了该方案的可达密钥速率和共享随机源的互信息量表达式,并分析了两者间的关系以及对密钥安全性的影响。最后,通过仿真验证了该方案的有效性,仿真结果表明该方案能够有效降低窃听者观察到的共享随机源互信息,从而提升可达密钥速率及密钥安全性。     

基于多径信道能量随机动态打散的隐蔽无线通信方案

为应对无线通信中的未知非法检测威胁，该文提出一种随机跳径隐蔽通信方案，实现了信号能量在多径上随机动态打散。首先，基于我方多径信道信息设计了隐蔽传输策略，并构建了敌方检测模型。接着，通过引入相关性纠偏因子，分别推导了所提方案、选最强径方案和经典最大比发送方案的敌方平均接收信噪比(SNR)闭式表达式，并基于曲线拟合的方法计算了我方最小平均隐蔽概率，完成了隐蔽性能定性和定量评估。然后，推导了我方平均接收信噪比闭式解，分析了系统速率性能。仿真实验表明，所提方案不仅在未知敌方任何信息的一般情形下具有隐蔽性能优势，而且在敌方抵近我方的极端情形下可以最大程度地解决隐蔽通信失效问题。