无线通信网络物理层加密技术及其安全评价体系研究

The project is committed to solve the important problems of physical layer encryption (PLE) for wireless communication network: 1) How to devise the PLE methods with anti-reconnaissance based on signal characteristics; 2) How to take secrecy and reliability into consideration; 3) How to construct security evaluation system info? It focuses on the research of new methods in PLE and the construction of security evaluation system info. We construct physical layer concatenated encryption system using the randomness and secrecy advantage of rateless codes. The encryption algorithm based on rateless codes is proposed , which realize secrecy and reliability together. Combining block cipher with multi-dimensional constellation, we proposed “multi-dimensional encryption” and construct united encryption system in physical layer. Under these circumstances, the new PLE method can resist fading with anti-reconnaissance characteristics. Based on traditional encryption and physical layer security, we construct the security evaluation system info considering the anti-reconnaissance characteristics in communication security, which help to improve the system info of PLE. Our research will provide the new methods for the secrecy transmission in wireless communication. It also expands the thought of joint processing in transmission, and to perfect the system info of secure communications.

本项目致力于解决无线通信网络物理层加密领域的重要问题：1）如何结合信号特征设计具有反侦察特性的物理层加密方法？2）如何进行安全性与传输性能的统一设计？3）如何构建安全评价体系？项目重点研究了物理层加密的新方法及安全评价体系的构建。利用无码率码的随机性及安全优势，构建了物理层的级联加密系统，提出了基于无码率码的加密算法，实现安全性与可靠性的统一；将分组密码与多维星座技术结合，构建了物理层的联合加密系统，提出了物理层“多维加密”的方法，可较好地对抗无线信道衰落，具有良好的反侦察特性。将传统密码学与物理层安全结合，融入通信安全中的反侦察特性，构建了物理层加密的安全评价体系，有助于完善物理层加密的理论体系。研究成果将为无线通信网络的安全传输提供新的途径，扩展通信传输中联合处理的思路，为完善保密通信的理论体系提供有力的支撑。

本项目紧跟无线通信网络的安全传输需求，重点解决物理层加密方法设计中的两大问题：1）如何结合信号特征与反侦察特性；2）如何实现安全性与传输性能的统一；同时探讨物理层加密中安全评价体系的构建。项目围绕基于无码率码的物理层加密、基于调制技术的联合加密以及物理层加密的安全评价体系等三项内容展开深入研究。.依托无码率技术及调制技术在通信传输可靠性、有效性方面的优势，借助无线信道的随机特性，本项目提出了五种加密方案：1）将修正的无码率码与常规信道编码级联形成级联加密方案（CPLE），安全性取决于无码率码的随机性，可靠性则借助于码的级联结构。2）依托星座旋转形成多维加密方案（MPLE），非常规星座图增加窃听者的接收难度，充分考虑信号特征与反侦察特性的结合；安全性取决于其旋转矩阵的未知，可靠性则来自于分集增益。3）将单维的星座映射拓展到多维映射，形成基于多维映射的加密方案（PLE-MDM）；其安全性取决于其等效映射矩阵的未知，可靠性则来自于分集增益。4）融合无缝速率传输的码率兼容调制（RCM）技术，将安全性与有效性统一考虑，形成基于RCM的物理层加密方案（PLE-RCM）；安全性来自于RCM中映射矩阵构造的随机性，有效性则来自于自适应的调制。5）拓展窃听模型至多个窃听者并存且相互勾结的典型无线网络场景，利用无码率码的分布式特性及良好的随机性形成了一种分布式加密方案（DPLE），可以此对抗窃听者勾结带来的安全威胁。本项目扩展了物理层加密中安全性与可靠性及有效性的统一设计，为物理层安全领域的可行方案及策略开拓了新思路，为推进其实用化起到了重要作用。 .全面研究了基于信息理论、计算复杂度与反侦察特性的安全度量，以及基于攻击的安全能力分析，提出了针对物理层加密的安全评价体系，包括基于信息理论的指标以及具体攻击场景下攻击效果及复杂度指标，同时涵盖了无线传输中的反侦察特性。这为进一步完善安全传输的评价体系提供了有力的支撑。