无人集群网络物理层通信安全技术研究

作     者：王广渊 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：熊海良;周洪超

授予年度：2021年

学科分类：11[军事学] 1105[军事学-军队指挥学] 0839[工学-网络空间安全] 08[工学] 110505[军事学-密码学] 110503[军事学-军事通信学] 

主      题：无人集群网络 物理层安全 密钥生成 信息论安全 信息调和 

摘      要：随着智能无人集群技术的不断进步,不同外观、不同功能的无人机层出不穷,如今无人机已广泛应用于军事作战、农业、城市管理、地质、抢险救灾等领域。而这一技术并不是某项单一技术,而是无线传感网、无人控制、无线通信、人工智能等多种相关技术的综合运用,通过将相关技术进行深度融合,构建无人操纵平台,使其具有自主决策能力,广泛运用到各领域,会凸显出巨大优势,并将带来深远影响。无人集群依靠无线网络进行通信,而无线信道的广播特性使得信息在传输过程中极易被窃听。特别是在军事领域,一旦无人机通信网络遭到敌军窃听甚至主动攻击,将会带来致命的影响甚至决定整个战局,由此可见对无人集群网络通信安全技术的研究具有极大的现实意义与实用价值。传统的高层安全机制依赖于第三方密钥管理中心进行密钥分发,不适用于现实中的无人集群通信,而近年来引起学者广泛关注的物理层密钥生成技术是较理想的选择。本文从信息论安全角度研究了物理层密钥生成技术以及密钥协商技术,提出了适用于无人集群无线网络的安全通信方案,分析了特定模型下无人集群网络的通信性能,本文所做的主要工作如下:（1）对无人集群网络物理层通信安全技术国内外现状进行了综述和分析,重点对近年来无人集群通信网络物理层安全存在的关键技术难题进行了阐述,同时对论文结构和主要研究内容进行了总结。（2）对信息论安全中的一些常用概念进行了概述,介绍了 Wyner所研究的搭线窃听信道模型并总结了关于保密容量的研究成果。随后建立了无人集群网络搭线窃听信道模型,分析了在服从独立且非同分布的瑞利衰减信道情况下的无人集群协作通信网络的保密容量及中断概率。（3）将物理层密钥生成技术应用于无人集群通信网络,并针对现实场景下可能面临的一些问题开展研究。针对准静态环境下信道变化缓慢导致密钥生成速率低的问题,提出了一种利用随机信号发送的无人集群点对点密钥生成方法,提高了合法无人集群之间的互信息量从而有效提高密钥生成速率;针对某些恶劣环境下信道条件不理想的情况,提出了一种非严格互易信道下的密钥生成机制,理论证明可有效生成密钥。（4）提出了一种用于计算密钥生成的对数似然比（LLR）的新方法,该方法基于信道测量值的一比特量化以及合法互易节点之间的信道估计值之差。讨论了所研究的密钥协商方法,所提方法利用Slepian-Wolf低密度奇偶校验码实现优势提取和信息调和,MATLAB仿真结果表明所提LLR计算方法较传统物理层密钥协商方法具有一定优势。