面向未来移动通信的物理层安全技术研究

This project focuses on physical layer security technology for future mobile communications. By using of the short-term reciprocity of the MIMO-OFDM TDD wireless channel, extracting the physical characteristics of wireless channel from the received signals on both communication sides, and then converting the physical characteristics to the symmetric keys, the data via the wireless channel are protected by means of the encryption and decryption using the symmetric key. Thus the aim to protect the wireless air interface can be achieved. The proposed scheme has the advantage of high security performance and needless of key distribution. It is more appropriate for access of large scale mobile users..This project combines the requirement of wireless access security of 5G mobile communications，builds up a transmission model of the MIMO-OFDM TDD wireless channel. In this project, researches and comparison are done on the different channel feature extraction methods. A method of increasing channel reciprocity based on principal component analysis (PCA) technology is put forward and a method of forward secret key consistency is proposed. This project will also combines the theoretical methods with experiments, builds up a prototype system of point to point secure communications. It will form the broadband wireless physical layer security theory and technology system, and will obtain some invention patents. These will make a little contribution to formation of the 5G original technology in our country.

本项目研究面向未来移动通信的物理层安全技术，利用MIMO-OFDM TDD无线信道的短时互易性，在通信双方的接收信号中提取无线信道的物理特性，将之转换为通信双方所需的对称密钥，加解密经过该无线信道的数据，达到保护无线空中接口安全的目的。该方案具有高安全性及无需密钥分配的优点，更适合大规模移动通信用户的无线接入应用。.本项目结合5G移动通信系统的无线接入安全需要，建立MIMO-OFDM TDD无线信道传输模型，研究比较不同的信道特征提取方法；提出基于主分量分析技术的信道互易性增强方法，以及基于纠错编码的前向密钥一致性校验方法等；将理论研究与系统实验相结合，构建基于无线信道特性密钥的MIMO-OFDM TDD点到点保密通信系统，形成宽带无线物理层安全理论和技术体系，取得一些专利成果，为我国5G原创技术的形成添砖加瓦。

本项目研究面向未来移动通信的物理层安全技术，利用MIMO-OFDM TDD无线信道的短时互易性，在通信双方的接收信号中提取无线信道的物理特性，将之转换为通信双方的对称密钥，加解密经过该无线信道的数据，达到保护无线空中接口安全的目的。.本项目按照计划进行，成立了项目研究小组，历经四年的艰苦研究，形成了一整套面向未来移动通信的无线物理层安全理论与方法，包括基于射频指纹的身份识别与基于无线信道特征的密钥生成方法。在射频指纹方面，重点是解决如何从接收信号中提取出微弱的射频指纹信号，减少无线信道多径效应和噪声对射频指纹的影响，以及如何有效的表征和识别射频指纹等。在基于无线信道特征的密钥生成方面，重点是解决通信上下行信道之间的互易性问题，减少相干时间、信道噪声等因素对互易性的影响，如何生成满足随机性要求的密钥流，如何保证通信两端密钥的一致性等。.项目共发表高质量学术论文35篇，包括发表于IEEE Internet of Things Journal、IEEE Transactions on Communications、IEEE Transactions on Mobile Computing等SCI核心期刊论文14篇；申请国家发明专利26项，其中9项已授权，申请1项PCT专利，1项专利转让；搭建了射频指纹提取与识别系统1套和基于无线信道特征的密钥生成与数据加解密系统1套。.项目完成的“基于设备指纹技术的无线接入安全管理平台”通过国家网络与信息系统安全产品质量监督检验中心检测，在江苏电力信息技术有限公司进行了3个试点应用；基于本项目基础，申请到江苏省重点研发计划项目“电力物联网边缘接入安全技术研究与应用”，和国家自然基金移动安全专项“移动通信安全基础理论与关键技术”，并在网络通信与安全紫金山实验室立项，旨在用本项目成果解决量子密钥分发的最后一公里问题。