基于无线信道特征的物理层加密技术研究

作     者：李小倩 

作者单位：国防科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：雷菁

授予年度：2017年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 0839[工学-网络空间安全] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 081201[工学-计算机系统结构] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：无线信道特征 密钥提取 多维调制 混沌序列 物理层加密 

摘      要：现如今,无线通信技术被广泛应用,新的安全威胁和漏洞也日益增多。由于无线信道的广播特性和侦听技术的快速发展,窃听者可以通过一定手段获得合法通信双方调制方式和信道编码类型等传统安全策略无法保护的信息,继而利用这些信息推测通信意图,甚至推测出明文信息。物理层安全加密技术旨在利用无线信道本质特性,在物理层实现对调制信号和编码信息的安全防护。论文围绕物理层加密(Physical Layer Encryption,PLE)传输技术,分别对调制和编码两个层次的问题展开研究:首先,针对调制层的安全问题,研究了正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)系统中基于多维调制的物理层加密算法。从物理层调制的基本原理出发,利用相位随机化的信号进行信道探测并提取出等效信道相位信息,对星座信息进行加密保护,接收端进行相应的解密解调。该方案充分利用了无线信道相位响应的随机性、互易性和位置敏感性,并将该特性用于增强物理层信号的安全性。数学分析和仿真结果表明所提算法具有较强的安全性,且三维星座调制相对于传统的正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)调制,系统的误码率性能提升约2.5dB。其次,针对信道编码层的安全,提出了一种基于混沌序列的物理层编码加密传输算法。在充分分析ECBC(Error Correction Based Cipher)系统的基础上,提出利用无线信道提取二进制密钥,并将其转化为混沌系统的初始值,产生混沌序列,实现对物理层编码信息的保护。此外,论文还提出了软异或思想,保证了系统的可靠性。理论分析和仿真结果表明,该加密算法恢复了信道编码的纠错性能,且相较于ECBC算法有了更高的安全性,在密钥量上也有了明显的改善,可以保证数据的安全传输。最后,论文在总结研究工作的基础上,指出有待改进的方面,并展望了基于无线信道物理层加密技术的后续研究方向。