无线通信物理层安全研究及中国余数定理.pdf

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1、无线通信物理层安全研究及中国余数定理在其中的应用报告人:吴飞龙学号：4111005008导师：王文杰教授中期进展报告内容要点1.研究背景以及国内外研究现状2.个人研究进展3.下一步的研究计划4.论文发表情况21.研究背景以及国内外研究现状通信系统设计的三大指标：有效性、可靠性、安全性目前无线系统继承有线通信系统采用的数据加密技术保障私密信息安全，不被他人窃取。图1对称数据加密/解密系统缺陷：1）数据加密所提供的安全是一种“计算安全”，指望密钥长度让窃听者的暴力搜索也难以破解。但现代并行计算技术以及超快计算机的发展使得解密完全可能2）需要收发双方预先共享密钥。不适合网络拓扑动态变化

2、的新型无线网络(adhoc、wsn）31.研究背景以及国内外研究现状无线通信的特点:电磁波传播，信道开放，失去屏障更容易被窃听多径衰落和多普勒频移只要接收机相距几个波长的距离，衰落独立TDD系统中信道互易A与B之间的信道是其共有的，不为第三方获取图2无线信道的特点：多径衰落和信道互易41.研究背景以及国内外研究现状针对无线信道的特点，解决无线通信安全的两条新思路：1）物理层安全传输，获得比特级的信息安全提取和利用无线信道空域个性特征，使得发射信号经过无线信道后只能被期望接收用户正确解调，而窃听者则无法截获（低截获概率，LPI）无线信号，从而在物理层的保证信息安全。防止信息被截获要比防止

3、截获后被解密更具积极意义。2)由应用层向物理层延伸的密钥加密Alice和Bob独立提取共有的信道参数，再按一定的协议各自生成一致密钥，避免了密钥分发和传输。51.研究背景以及国内外研究现状第一条思路：物理层安全传输，保证信息比特不被截获具体技术：人工噪声、阵列随机加权、定向调制、0-1式跳空收发技术人工噪声（ArtificialNoise）安全容量：CsecChHABCAE增大安全容量就要减小窃听用户的信道容量。Alice同时发射私密信息和人工噪声（AN），AN正交于h，恶化窃听用户信道。AB私密信息AN??????(?)=?(?)?1+?(?)图3人工噪声方法（MISO

4、ME模型）Hβh0??−1kABH=?(?)?+?(?)?w1hABhAB1???=161.研究背景以及国内外研究现状阵列随机加权(XiaohuaLi）随机选择发射天线加权系数，造成窃听信道非线性主动快变。Alice发射信号：xw()nsn()()nAlice2w2n有Na个元素，每发射一个符号随机变化一次，变化方法：从Na根天线中选择第i根天线做匹配，加权系数wi待定。按复高斯分布随机生成剩下的N1根天线的加权系数wj()iaj计算匹配天线的加权系数wi，计算公式hwAB2nhAB此方法下，Bob、Eve的接收信号：yBnsn()hABnnB()最大

5、似然解调y()nHwsn()n()nEAE2E星座图混乱，无法解调71.研究背景以及国内外研究现状定向调制技术(DirectionalModulation）一种新的射频调制技术，不同于传统基带调制特点：方向性强，安全传输传统的波束成形技术虽然可以压制旁瓣的接收电平，但只要非期望方向的接收机足够灵敏，依然可以解调。图4传统的波束成形技术81.研究背景以及国内外研究现状四根发射天线，QPSK调制下，相移计算主瓣方向星座图规整，其他方向信号幅值、相位均错乱，无法解调图5定向调制技术91.研究背景以及国内外研究现状第二条思路：应用层向物理层延伸的密钥加密TDD系统下满足信道互易一对收发

6、机之间的无线信道特征，不为第三方所知，只有双方共享。两端各自提取并按相同方式生成一致密钥，无需密钥分发和预先共享密钥自动更新，一次一密无线信道参数的不断变化使得基于个性信道参数的密钥也是不断变化、不断更新，这种动态特性使窃听或者破解变得异常困难。用来生成密钥的物理层参数接收信号强度信道衰落系数多径的角度和时延迟问题：噪声导致Alice和Bob生成密钥不安全一致怎么办？需要容错机制，可以借助于信道纠错编码的思想。102.个人研究进展进展概要1）物理层安全传输，低截获率的安全通信2）通信双方提取无线信道个性特征生成一致密钥沿着上述两条思路做了以下工作在思路1方面：为人工噪声法和阵

7、列随机加权法建立了统一数学模型指出上述空域加扰方法的局限性，从窃听者角度给出了两种解密方法在思路2方面：提出了一种实数域鲁棒的中国余数定理纠错方法用来提高密钥一致率发展了鲁棒的中国余数定理在通信系统、信号处理中的其他应用，改进了基于冗余余数系统（RRNS）编码的解码算法，降低了系统误码率。112.个人研究进展进展详述1证明了人工噪声法和阵列随机加权具有一致的数学模型和共同的物理实质。信息符号sn1()Alice发射信号:hHsn