基于加权分数傅里叶变换的物理层安全传输方法研究.pdf

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1、博士学位论文基于加权分数傅里叶变换的物理层安全传输方法研究RESEARCHONWFRFT-BASEDPHYSICALLAYERSECURITYMETHODOLOGIESFORWIRELESSCOMMUNICATIONS房宵杰哈尔滨工业大学2018年06月国内图书分类号：TN914,TN918学校代码：10213国际图书分类号：654密级：公开工学博士学位论文基于加权分数傅里叶变换的物理层安全传输方法研究博士研究生：房宵杰导师：沙学军教授副导师：冉启文教授申请学位：工学博士学科：信息与通信工程所在单位：电子

2、与信息工程学院答辩日期：2018年06月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TN914,TN918U.D.C:654DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONWFRFT-BASEDPHYSICALLAYERSECURITYMETHODOLOGIESFORWIRELESSCOMMUNICATIONSCandidate:FangXiaojieSupervisor:ProfessorShaXuejunCoSupervis

3、or:ProfessorRanQiwenAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpecialty:InformationandCommunicationEngineeringAffiliation:SchoolofElectronicsandInformationEngineeringDateofDefence:June,2018Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology摘要摘要随着当

4、前无线通信应用场景的多样化，无线通信在为人类社会发展带来了无限便利的同时，随之而来的信息安全威胁也日趋严重。现阶段主流无线网络安全机制延续了计算机网络的密码学加密体系。然而无线传输的开放性、网络结构的动态拓扑性以及无线终端硬件设备的局限性都严重制约着传统密码学体制在无线网络安全领域的进一步发展。为此，从无线信号的底层物理特性入手，探索有效的物理层安全机制以维护系统信息安全成为当前无线安全领域的研究热点。从某种意义上讲，物理层安全体制的出现弥补了传统加密体制底层安全保护能力缺失的现状，它通过利用无线信号传播

5、过程中的一些物理本质特征，通过编码、调制、特征提取等手段实现对信源内容或者终端设备身份的保护。近年来，相关领域的研究人员从理论层面对物理层安全机理进行了较为完备的解释，并针对不同通信场景提出了一系列的物理层解决方案。然而，笔者在对现有文献调研过程中发现，现有物理层安全技术相关研究大多建立在理想假设条件之上，诸如配备天线阵列、具备高精度信号分析能力等类似的先决条件无法普适主流的无线网络。针对该问题，本文以加权类分数傅里叶变换(WeightedfractionalFouriertransform,WFRFT)

6、这一新型载波调制方法为切入点，设计实现信号的物理层认证以及传输方法，来获得系统安全性能的提升。本文采用WFRFT作为物理层信息安全实现手段的原因在于：WFRFT作为一种广义傅里叶变换，具有完备的数学理论支撑，其信号变换过程在通信系统下具有明确的物理含义。同时，WFRFT信号处理流程与现有系统具有良好的兼容性，算法移植性高，工程化难度小。最重要一点，WFRFT这一新型的物理层信号手段具备了满足物理层安全所需的复杂度低、物理统计特征可控、具备信息隐藏能力等优势。物理层认证以及物理层安全传输是物理层安全领域两个

7、重要的应用场景。本课题的研究即围绕加权分数傅里叶变换在物理层认证与信号安全传输方法两方面的应用展开。对于WFRFT在物理层认证方面的应用，本文以WFRFT信号物理层统计特征的动态可控性为出发点，从通信信号物理特征的伪装与隐藏两个角度分别设计了认证标签信号特征伪装(WFRFT-basedTagFeatureForging,WFRFT-TFF)以及标签高斯化内嵌(WFRFT-basedGaussianTagEmbedding,WFRFT-GTE)两种基于WFRFT的物理层认证方案以适用于不同的-I-哈尔滨工业

8、大学工学博士学位论文通信需求。本文从系统安全性、可靠性、及实现复杂度三方面对以上两种WFRFT物理层认证方案进行了对比，论证了两者不同的适用场景。在实现原理上，本文所提方案在信号调制层面上实现了对通信信号特征的控制，克服了传统物理层认证体制下认证指纹固定不可变的缺陷。同时本文所提方案节省了传统方法的特征提取、分析过程，降低了终端硬件需求，对现有系统具有更好的兼容性。直扩系统因其低概率检测特性而被定位为一种有效的物理层保密通信方