面向未來無線通信的跨層安全技術(shù)研究.pdf

1、以Massive MIMO、非正交調(diào)制等為代表的5G關(guān)鍵技術(shù)，滿足了激速增長的傳輸速率、資源利用率、服務(wù)質(zhì)量、覆蓋范圍等需求，與現(xiàn)行的4G系統(tǒng)相比，極大地豐富了應(yīng)用場(chǎng)景和用戶體驗(yàn)。然而，5G的高安全需求、大容量、快速接入、物聯(lián)網(wǎng)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)給未來無線通信網(wǎng)絡(luò)帶來了安全挑戰(zhàn)?；谟?jì)算的傳統(tǒng)安全因高速計(jì)算機(jī)和云計(jì)算的破解效率驚人而危如累卵；以信道差異性為核心的基于統(tǒng)計(jì)的物理層安全成為5G中受關(guān)注的安全新技術(shù)，但其依賴信道嚴(yán)重，犧牲系統(tǒng)復(fù)雜度和

2、傳輸效率，其是基于概率的安全，在短幀傳輸下不能達(dá)到概率為1的安全，應(yīng)用環(huán)境受到限制?；谏鲜霰尘?，本文針對(duì)5G中的安全傳輸問題，結(jié)合5G物理層關(guān)鍵技術(shù)，研究物理層安全與傳統(tǒng)密碼學(xué)安全相結(jié)合的跨層安全傳輸技術(shù)。
　　首先，對(duì)于SCMA技術(shù)，分別提出基于隨機(jī)碼本集和變形碼的跨層安全傳輸方案。通過合法雙方共享上層密鑰流，控制SCMA調(diào)制過程中的碼本集選取或碼字變形，借助稀疏碼本映射及MPA檢測(cè)譯碼對(duì)碼字和碼本的依賴性，使得非法竊聽者譯碼

3、失敗。在仿真驗(yàn)證兩種方案誤碼率和安全容量兩方面性能的基礎(chǔ)上，提出了分級(jí)安全策略，在不同的信噪比下選取不同的跨層安全方案，以最小復(fù)雜度保證安全傳輸需求。兩種方案均突破了信道特性的局限，且系統(tǒng)額外開銷小。
　　其次，提出兩種基于空間調(diào)制OFDM的MIMO跨層安全傳輸方案。此時(shí)，合法通信方共享的上層密鑰流有以下作用：在多態(tài)空間調(diào)制方案中控制碼域調(diào)制/解調(diào)和空域調(diào)制/解調(diào)，在跨層預(yù)編碼方案中控制天線映射、構(gòu)造秘密預(yù)編碼矩陣及其逆矩陣。在利

4、用空間調(diào)制因信道分布差異帶來的物理層安全基礎(chǔ)上，通過空域碼域信號(hào)的多態(tài)跳變和OFDM符號(hào)隨機(jī)相位偏移，阻止竊聽者截獲秘密信息。安全性分析和仿真結(jié)果表明，兩種方案在多種幅度/相位調(diào)制方式下，以合法者可靠譯碼、竊聽者誤碼率逼近0.5、誤幀率100％及良好的系統(tǒng)安全容量有效保障了通信安全。
　　最后，在USRP-LabVIEW平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證基于預(yù)編碼的MIMO-OFDM跨層安全傳輸方案。本文在設(shè)計(jì)通信鏈路功能模塊及幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用