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基于无线信道特征的物理层安全接入与密钥生成技术研究

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基于无线信道特征的物理层安全接入与密钥生成技术研究

作者：郭登科国防科技大学

学位级别：硕士

高速发展的无线通信技术推动了战场形态的深刻变革,在未来战场中,以空天地一体化的军事物联网为代表的新型无线网络中将集成大量的低成本节点,战场无线网络表现出延迟敏感、计算资源和功率受限的特点,这使得基于密码学的上层安全方案面... 详细信息

高速发展的无线通信技术推动了战场形态的深刻变革,在未来战场中,以空天地一体化的军事物联网为代表的新型无线网络中将集成大量的低成本节点,战场无线网络表现出延迟敏感、计算资源和功率受限的特点,这使得基于密码学的上层安全方案面临严峻的挑战。作为上层安全方案的有效补充,物理层安全方案可以利用无线信道固有的随机性为无线网络提供安全防护,具有低延迟、低复杂度和基于信息论的安全性等优势。针对未来战场中海量节点接入的无线网络应用场景,本文围绕无线信道的短时互易性、时变性和空间去相关性研究轻量级物理层认证和密钥生成的具体方法、方案设计和系统实现。首先,考虑无线网络中海量低成本节点的安全接入问题,针对低延迟、高可靠的网络接入需求,本文设计了一种基于无线信道相位特征和物理不可克隆函数（Physical Unclonable Function,PUF）的物理层认证方案。该方案利用PUF携带的设备硬件信息实现身份认证,无需节点存储任何密钥信息,避免了密钥泄露的风险;利用无线信道相位预均衡方法对认证信号进行处理,使得认证信号具备抗截获能力,只有合法接收方才能接收到正确的认证信息。安全性分析和仿真结果表明,所提方案能够有效抵御窃听、建模、重放和假冒等主动和被动攻击,且在不同的信道条件下均可以实现较为理想的认证性能。进一步,考虑低成本无线节点实现数据安全传输所面临的密钥生成问题,针对网络节点资源和功率受限的特点,本文设计了一种基于无线信道幅度特征的轻量高效物理层密钥生成方案。在特征量化和信息协商阶段,分别提出了带滑动平均滤波（Moving Average Filtering,MAF）预处理的双向差分量化（Bidirectional Difference Quantization,BDQ）方法和改进Cascade协议。其中,MAF预处理可以有效降低环境噪声对合法双方的信道测量值互易性的影响,而BDQ方法则创新性地实现了无门限的2比特量化,从根本上避免了量化门限附近的测量值由于对噪声的敏感性而导致的合法双方量化结果不一致,提高了量化可靠性的同时也保证了一定的密钥生成效率;改进Cascade协议基于分组校验和交织实现错误纠正,能够保证较高的信息协商成功率,且相比于原Cascade协议,计算量和信息交互次数大幅减少,信息协商效率进一步提高。大量的仿真结果验证了所提方案的上述性能,实现复杂度分析表明所提方案更加轻量化。此外,所提方案生成的密钥通过了NIST（National Institute of Standards and Technology）随机性测试。最后,基于Zynq架构的软件无线电平台实现了本文提出的无线信道密钥生成方案的原型系统,并专门为系统中的窃听节点设计了一种针对性的被动窃听方案,用于发动密钥恢复攻击。在四种典型的无线通信场景下对实现的原型系统进行了测试,其中两个合法通信节点运行所提的密钥生成方案,两个部署在不同位置上的窃听节点各自独立地运行所提的被动窃听方案。通过对测试结果的分析,验证了无线信道在实测意义上的各项特性,表明所提密钥生成方案在典型通信场景下可以实现较高的密钥性能和系统安全性。

关键词：无线物理层安全无线信道特征物理层认证密钥生成原型系统

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基于无线信道特征的物理层加密技术研究

基于无线信道特征的物理层加密技术研究

作者：李小倩国防科技大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：无线信道特征密钥提取多维调制混沌序列物理层加密

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基于无线信道特征的物理层安全编码技术研究

基于无线信道特征的物理层安全编码技术研究

作者：白慧卿解放军信息工程大学

学位级别：硕士

物理层安全利用无线信道多样性以及通信双方信道特征的唯一性、互易性防止信息在通信链路底层泄露,是一种针对无线通信特点设计的信息安全保障方法。安全编码作为物理层安全的关键技术之一,将编码的纠错特性与无线信道特征有机结合,差... 详细信息

物理层安全利用无线信道多样性以及通信双方信道特征的唯一性、互易性防止信息在通信链路底层泄露,是一种针对无线通信特点设计的信息安全保障方法。安全编码作为物理层安全的关键技术之一,将编码的纠错特性与无线信道特征有机结合,差异化合法接收者与第三方窃听者的接收性能,实现合法通信双方信息的安全可靠传输。但是,目前的安全编码研究还存在以下问题:1)对信道特征的差异性利用不充分,导致安全编码获得的安全增益受限;2)缺乏安全编码与传输技术的联合设计,导致安全编码效率及系统功率利用率降低。本文依托国家自然科学基金项目,对物理层安全编码技术展开专门研究。针对上述问题,论文首先提出了两种与合法信道时域特征强耦合的安全编码方法:基于信道衰落幅度差异的物理层安全编码方法和基于信道特征扰动相位的物理层安全编码方法。然后研究了安全编码与人工噪声方法的联合设计,以提高安全编码的效率及系统功率利用率。主要研究内容包括:1、提出了基于信道衰落幅度差异的物理层安全编码方法。首先,证明了信道能量相同条件下,低密度校验码中私密信息节点传输时所对应的信道衰落幅度越小,越有利于该处的信息正确恢复;然后选取合法信道衰落幅度最小的位置作为私密信息位,并将私密信息隐藏在随机序列中,形成有利于合法接收者译码的条件;再结合私密信息置乱,将窃听者的译码残余比特错误扩散到整个码字中。仿真结果表明,该方法提高了窃听者的误比特率,相比于仅信息置乱的方法,安全间隙缩小了5dB。2、提出了基于信道特征扰动相位的物理层安全编码方法。首先,通过合法信道衰落幅度与相位扰动权值幅度信息的乘积,确定对发射符号进行相位随机扰动的边界范围;然后,以发射端在平均功率约束下随机产生的幅度信息,连同在相位扰动边界范围内随机选取的相位信息,共同构成相位扰动权值;最后,以所得的相位扰动权值对每个待发射符号进行预编码,使得合法接收者在相位扰动下仍具有稳定的抗噪声性能,而窃听者接收符号的相位信息模糊无法正确译码。仿真结果表明,在相同发射功率和信道噪声的情况下,窃听者的误比特率接近0.5。3、提出了基于等效信道模型的安全编码与传输联合设计方法。首先建立了无线物理层等效信道模型,分析了影响安全编码与人工噪声传输方法性能的关键参数;然后定量描述了人工噪声方法在不同误比特率门限下加权矢量和噪声矢量对等效信道特征的影响,以及不同等效信道特征对安全编码误比特率门限的影响,建立起安全编码与人工噪声之间的紧密联系;最后,以最大化私密信息码率为目标设计出两者的联合优化算法。仿真结果表明,该方法能使私密信息码率达到0.43,提高了安全编码效率;安全性余量相比0.35sR?时简单级联的方法缩小约3dB,提高了系统的功率利用率。

关键词：物理层安全安全编码无线信道特征等效信道模型人工噪声

基于无线信道特征的密钥生成与安全增强关键技术研究

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基于无线信道特征的密钥生成与安全增强关键技术研究

作者：张洪霞杭州电子科技大学

学位级别：硕士

无线网络具有不受地理位置限制、覆盖范围广、易于部署等优点,在各领域的应用越来越广泛。同时,无线网络的开放特性也使它面临严峻的安全问题,如窃听、干扰、假冒、篡改等。攻击者利用各种手段对通信进行破坏,严重威胁网络的安全性。基... 详细信息

无线网络具有不受地理位置限制、覆盖范围广、易于部署等优点,在各领域的应用越来越广泛。同时,无线网络的开放特性也使它面临严峻的安全问题,如窃听、干扰、假冒、篡改等。攻击者利用各种手段对通信进行破坏,严重威胁网络的安全性。基于无线信道特征的物理层安全方案,为保障无线通信的安全提供了一种新的解决方法。无线信道的随机性、时空唯一性、短时互易性和不可预测性,决定了它可以作为随机信号源用来提取密钥,也可以用于身份认证、抗干扰攻击等,实现安全增强。本文在学习掌握信息安全理论和国内外研究现状的基础上,研究利用无线信道特征提取密钥及进行安全增强的相关技术。主要研究工作如下:(1)对基于无线信道特征提取密钥过程中的量化算法进行研究,总结、分析现有量化算法的优缺点。针对带保护间隔的量化(Channel Quantization With Guard-band,CQG)算法删除特征值较多,导致密钥生成速率较低的问题,提出了一种基于CQG算法的改进算法。改进算法与CQG算法的不同之处在于,CQG算法将保护间隔内的特征值全部删除,而改进算法根据通信双方交换的位置索引信息,保留保护间隔内量化结果一致的特征值,改进算法通过减少删除的特征值来提高密钥的生成速率。(2)提出了将量化与信息协商综合分析的思想。在密钥提取过程中量化和后续的信息协商是紧密相关的,但现有的密钥生成方案将两阶段分开研究,没有分析整体的性能。本文将提出的改进量化算法与信息协商相结合,通过实验仿真验证方案的整体性能。实验结果表明:两阶段相结合,密钥不一致率降为零时,改进算法总密钥生成速率明显提升,并且生成的密钥能够通过NIST随机性测试,满足安全性要求。(3)为了抵御无线网络中的干扰攻击,提出了一种基于无线信道特征的信道切换方案。通信双方以无线信道作为随机信号源,产生随机信道切换序列控制信道的切换。在现实环境下设计实验,从信道协商一致率、信道选择分布及安全性方面验证方案的性能。实验结果表明:当初始密钥不一致率低于4%时,信道协商一致率达到95%以上,并能实现信道选择等概率分布,同时能够保证安全性。

关键词：无线信道特征量化密钥生成速率信道切换

基于无线信道特征的物理层安全传输认证协议研究

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基于无线信道特征的物理层安全传输认证协议研究

作者：邬昊静北京邮电大学

学位级别：硕士

当下,无线通信日益融入社会生产生活的方方面面,大量关系国计民生的重要信息通过无线信道传输,其在极大方便生产生活的同时,由于传播的开放性和广播性,更易遭受各类安全攻击。传统安全机制多基于密码学,依赖算法强度保证数据机密性和认... 详细信息

当下,无线通信日益融入社会生产生活的方方面面,大量关系国计民生的重要信息通过无线信道传输,其在极大方便生产生活的同时,由于传播的开放性和广播性,更易遭受各类安全攻击。传统安全机制多基于密码学,依赖算法强度保证数据机密性和认证可靠性,存在计算复杂度高、时延大、密钥管理困难等问题,不适用于计算和存储能力受限、时延敏感的新兴通信场景。近年来,从无线信道唯一性、互易性、随机性等天然安全属性出发的物理层安全研究日益兴起,将无线信道特征用于物理层认证与密钥生成,具有复杂度低、时延小、兼容性好等优势,为依靠密码学的高层安全机制提供了有益补充。本文基于经典物理层安全方案,从特征提取、检验统计量构造、特征量化、流程设计等方面展开研究,综合分析了各类信道特征、距离度量、量化方法的性能及影响因素,提出了基于无线信道特征的物理层安全传输认证方案,将认证与密钥生成过程融合设计,简化了交互流程,提升了安全性能。主要贡献和成果如下:1.提出了采用曼哈顿距离构建检验统计量的传输认证方案。在分析比较各类距离度量、相关性度量认证性能的基础上,综合考虑区分度与计算复杂度,选用曼哈顿距离度量连续帧信道特征的差异,并进行了理论建模和仿真验证,其区分度略优于经典的欧氏距离,且计算复杂度更低。2.提出了动态调整认证特征数以兼顾认证安全性和效率的方案设计。综合分析了影响认证性能的因素,包括信噪比、终端移动速度、用于认证的特征数等,发现通过增加认证特征数,可弥补由终端移动和环境变化引起的认证性能下降,在不同场景下动态调整用于认证的特征数,以实现认证性能和效率的最大化。3.提出了基于无线信道特征的物理层安全传输认证方案。将初始认证与密钥生成融合设计,利用共享秘密与信道特征,通过3次交互完成通信双方互认证与密钥协商,精简了交互流程。借鉴零知识证明思想,利用困难问题构造单向函数,在不泄露秘密信息的情况下实现认证,提升了安全性。发送端采用收发双方互易的信道响应,对交互信息进行变换后传输,接收端信道影响自然抵消,能够防止窃听和中间人攻击。

关键词：物理层安全无线信道特征传输认证密钥生成

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基于无线信道特征的智能电网安全增强

基于无线信道特征的智能电网安全增强

作者：吴晓华北京邮电大学

学位级别：硕士

智能电网是为了满足社会发展需求而提出来的,它利用现有通信技术提供各种服务,以解决现有电网的各种不足。其中涉及的无线通信技术主要有GSM、GPRS、3G、LTE、WLAN及基于IEEE802.15.4标准的一些技术,不过虽然它们促进了智能电网的发展,... 详细信息

智能电网是为了满足社会发展需求而提出来的,它利用现有通信技术提供各种服务,以解决现有电网的各种不足。其中涉及的无线通信技术主要有GSM、GPRS、3G、LTE、WLAN及基于IEEE802.15.4标准的一些技术,不过虽然它们促进了智能电网的发展,却也引入了安全问题,故而在智能电网中需要安全机制保护。目前的无线通信技术如LTE、WLAN及IEEE802.15.4均有安全机制保护,在智能电网中能提供一定的保护,不过智能电网自身具有一些特点,这使得现有的安全机制并非完全适用,所以需要更适合智能电网特点的安全机制。基于无线信道特征的研究我们发现其可用于智能电网安全设计以解决现有安全机制面临的困境,因此我们研究基于无线特征的安全增强技术,以解决传统安全机制难以适用智能电网的安全问题。本文研究的主要内容及创新点如下：1.分析了智能电网的基本特点、服务质量要求和安全问题,提出智能电网在使用安全机制上需要解决的问题。2.分析现有安全机制的特点,分析其用于智能电网面临的问题。3.研究无线信道特性,分析现有的基于无线信道特征的物理层安全方法及其不足,意在指明需要性能更好的物理层安全方法来进行智能电网安全增强。4.研究设计利用无线信道特征实现智能电网安全增强的方案,分别设计了适用于TDD模式及FDD模式的两种安全方案,并进行了性能的分析和搭建平台进行方案验证,结果显示所设计方案复杂度低,时延开销及信令开销小,产生的密钥一致性高,安全性好,可用于智能电网进行安全增强。

关键词：智能电网安全机制无线信道特征安全增强

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基于无线信道特征的物理层安全研究

基于无线信道特征的物理层安全研究

作者：黄夷芯东南大学

学位级别：硕士

随着电子技术与互联网的迅速发展,无线通信逐渐呈现宽带化、移动化的发展趋势,其相关应用也已深入到人们的日常生活中。然而,无线通信的开放性、灵活性、不稳定性等特点使其极易遭受攻击。同时,随着用户数量的增加、计算机技术的发展,... 详细信息

随着电子技术与互联网的迅速发展,无线通信逐渐呈现宽带化、移动化的发展趋势,其相关应用也已深入到人们的日常生活中。然而,无线通信的开放性、灵活性、不稳定性等特点使其极易遭受攻击。同时,随着用户数量的增加、计算机技术的发展,传统安全机制密钥管理困难、抗攻击能力低等缺陷日益凸显,已无法满足实际的安全需求。无线物理层安全作为一种保障无线通信安全、实现理论安全的新方法,已成为信息安全领域的研究热点。它从信息论角度出发,以无线信道的唯一性、互易性、时变性、不可预测性为理论依据,将无线信道作为随机源,利用其传播特征生成密钥,从而在物理层解决无线通信中的安全问题。这种方法使得异地的通信双方能同时、独立生成相同的密钥,即可在无密钥分配的情况下实现密钥共享,避免了密钥的传输,有着广泛的应用前景。本文重点研究了宽带OFDM系统中基于无线信道特征的密钥生成技术,包括信道特征提取以及密钥生成算法,主要工作如下：1.针对宽带信号高采样接收问题,本文设计了四通道调制型混合滤波器组结构的高速ADC系统,使采样速率降低了4倍,并将其应用于宽带OFDM系统,实现了宽带信号的多通道联合接收。在此基础上,研究了OFDM信号中无线信道特征的提取方法,提取各子载波上的信道频域响应的幅度值作为信道特征。结果表明通信双方获得的信道特征具有极高的相似性,其互相关系数约为0.99,为后续成功生成一致的密钥提供了保障。2.针对通信双方提取的信道特征间存在的差异,提出了基于小波重构的信道特征预处理方法,以进一步提高其互易性。该方法利用sym8小波对信道特征进行3层分解,将相应的高频系数处理后再重构信道特征,有效减小了噪声的影响,预处理后通信双方信道特征的差异减小了20%,使得密钥生成过程中误比特率降低了约41%。3.为保证生成密钥的随机性,对已有的双门限量化方法进行了改进,提出了以中位数为基准的量化门限计算方法。用该方法求得的双门限对预处理后的信道特征进行量化,保证了初始密钥序列中‘0’、‘1’占比大致相等,使其通过了频数检测。4.为保证密钥的生成速率,提出了分段的密钥确认方法。该方法将纠错后的密钥序列分成四段,并保留其中SHA-1值相同的序列段,在保障密钥安全性的同时,尽可能多地提取出一致比特。在UMa信道模型下,相比于不分段确认的情况,该方法将密钥生成速率提高了约29%。最后将确认后的序列进行交织生成密钥,提高了密钥的随机性,经检测,慢变信道下生成的128位密钥至少能通过3个随机性检测,而在快变信道下至少能通过5个随机性检测。

关键词：物理层安全高速ADC 无线信道特征小波重构密钥生成

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基于无线信道特征的内生安全通信技术及应用

无线电通信技术 2020年第2期46卷 159-167页

作者：唐燕群李为张立健许晓明中山大学电子与通信工程学院广东广州510275 国防科技大学电子科学学院湖南长沙410073 中国人民解放军32180部队北京100072 国家数字程控交换工程技术研究中心河南郑州450002

伴随着信息技术的高速发展,无线通信网络的安全形势日益严峻。数以亿计的设备接入无线通信网络中,针对用户隐私以及基础网络环境的窃听、攻击事件频频发生,无线通信网络的安全问题已成为限制无线通信业务广泛开展的严重障碍。传统认证... 详细信息

伴随着信息技术的高速发展,无线通信网络的安全形势日益严峻。数以亿计的设备接入无线通信网络中,针对用户隐私以及基础网络环境的窃听、攻击事件频频发生,无线通信网络的安全问题已成为限制无线通信业务广泛开展的严重障碍。传统认证与加密机制与传输相脱离,以密码算法和分发密钥的私密性为前提,容易受到物理层的攻击。为此,迫切需要深入开展面向物理层的安全机制研究。从无线通信网络的根源出发,面向无线信道的内生属性,研究了基于无线信道特征的内生安全通信架构,并针对此架构提出了基于射频指纹与信道密钥的内生安全通信技术方案。该架构将认证、加密与传输融为一体,从体系结构上增强了防御效果;利用无线信道特征的内生特点,从技术手段上提高了安全性能。

关键词：内生安全通信无线信道特征物理层安全物理层加密物理层认证

基于无线信道时序特征的物理层安全认证技术研究

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基于无线信道时序特征的物理层安全认证技术研究

作者：于晋尉北京邮电大学

学位级别：硕士

无线通信环境安全是信息社会下个人隐私安全、国家财产安全的根本保障。在5G网络到来之前,传统的物理层安全认证方案在网络挂载激增和计算能力不断提升的强压下,已经日渐暴露出安全认证的种种弊端。更甚至,随着网络环境的复杂化、动态化... 详细信息

无线通信环境安全是信息社会下个人隐私安全、国家财产安全的根本保障。在5G网络到来之前,传统的物理层安全认证方案在网络挂载激增和计算能力不断提升的强压下,已经日渐暴露出安全认证的种种弊端。更甚至,随着网络环境的复杂化、动态化,现有基于无线信道特征的认证方法并不能有效适应网络环境的时变特性,从而无法保证安全认证的可靠性。为了充分提取无线信道特征,实现可靠、安全的轻量级物理层安全认证,本文着重研究了基于无线信道时序特征的、机器学习方法下的物理层安全认证方案,主要研究工作如下:1)本文首先针对无线信道特征,在特定条件下是否能够满足物理层安全认证的可靠性进行了深入研究。从分析现有单一信道特征属性的提取方法出发,针对其通用场景下判别阈值受限、受信道估计偏差影响严重等缺陷,指出了现有多维空间信道特征提取方法,对物理层安全认证方案鲁棒性和可靠性的改进。另外,针对多维空间特征认证方案,存在局限于身份认证过程建模的不确定性和未知动态性等弊端,研究了时序特征对身份认证识别率的影响,并在前人的基础上改进了两种信道时序特征提取方法。2)在假设只具备合法通信双方间的无线信道特征样本,而未知非法攻击者信道特征样本的条件下。由于现有物理层安全认证方案多基于二元假设进行认证问题建模,即概念上将物理层安全认证问题考虑成了信道特征分类问题,该问题建模方法存在模型时效性与训练样本均衡性等限制。因此,无法实现此假设条件下,对单一小样本的安全认证。为此,本文提出了一种基于长短时记忆网络(LSTM)的动态预测物理层安全认证方案,该方案有效的解决了样本数量少、种类单一和模型长时失效等弊端,通过预测对比下一时刻未知信道特征方法实现了物理层安全认证。最后,通过实测数据的验证,证明了该方案在样本受限情况下安全认证的有效性。3)在现有基于机器学习算法的物理层安全认证方案的基础上,本文将支持向量机算法(SVM)与信道时序特征的动态提取相结合,进行了相关身份认证方案的设计。具体地,文中首先建立了该方案下的物理层安全认证系统模型,并对认证流程进行了简要概述。接着介绍了一种新的信道时序特征提取方法——特征矩阵动态重构方案。随后,提出了基于自适应支持向量机算法(SVM)的物理层安全认证方案。最后,利用实测数据,在不同的参数设置下,验证了该方案的有效性。相比于已有的基于支持向量机算法和卷积神经网络的身份认证方案,安全认证性能上取得了很大的提升。

关键词：物理层安全认证无线信道特征支持向量机预测自适应