面向身体中心无线通信的物理层安全研究

Body-Centric Wireless Communications (BCWCs) have seen massive level of growth in the recent past. Despite huge potential and numerous applications, the users fearing loss of their personal information due to lack of security and privacy measures restrict the development of BCWC. Due to inherent requirements of high power, conventional network layer security techniques have limited benefit in the BCWC. Recent research has demonstrated that certain features of antennas as well as properties of the radio channel can be exploited to be used as an alternative security arrangement at the physical layer. This project is aimed to investigate the development and usage of wireless fingerprint as a potential security method in practical BCWC scenarios. The study includes initial trust building between the wireless sensor nodes with and without template, wireless physical layer authentication for body-centric communications, security solution without considering keys, wireless channel key establishment for body-centric communications, digital phantoms for physical layer authentication, sparse channel estimation and universal propagation models for body-centric wireless key establishment. Efficiency of this technique would be established through use of active and passive attack models.

身体中心无线通信近年来呈现出快速发展的态势，但与之相关联的隐私和安全问题却日益凸显。如果不能从底层构建起有关的安全机制，未被保护个体和妥协个体之间的信息交互就会带来潜在的风险；身体中心无线通信和智能医疗、物联网之间的随时随地的连通可靠性就会遭到破坏。近年来的研究表明无线电天线及电磁波的传播特性可以用来提升无线传输安全。基于以上原因，本项目拟以身体中心无线通信研究现状为起点，围绕身体中心无线通信中的隐私和安全问题，研究基于身体中心电磁波传播的无线指纹和安全数据传输，具体内容包括：有模板和无模板的初始信任研究、身体中心无线物理层认证、无密钥安全方案、身体中心无线信道密钥构建、面向物理层认证的数字人体、针对身体中心无线密钥建立的稀疏估计和普适性模型等，最后通过主动、被动攻击模型进行分析和验证，以期达到完善身体中心无线通信安全性的目的。

由数字人体模型可知，身体中心信道与被试相关性高，具有很好的被试特异性与被试间各异性。通过无线体域网信道解析模型，在物理层面确认了表面波与爬行波是造成上述差异性的主要因素。作为将人体自身嵌入网络结构的通信范式，无线体域网依托身体中心通信设备，在人体周围构建了使用者为网络核心的数据联通新形式，打通了传统通信网络与使用者的天然隔离。由于体域网身体中心天然属性，使其必然承载用户私密数据，需要可信赖的安全措施，但现行IEEE 802.15.6国际标准在认证、授权、私密性等方面都存在严重安全隐患。传统生物特征认证在优先考虑易用性的同时也留下攻击后门，亟需寻找可用于身份认证的新途径，尤其是在充满使用者生理隐私数据的私人网络中。物理层安全因其逻辑清晰，资源要求少，安全性可通过信息论验证等优势，已成为新兴无线网络架构安防新的重要选择。本项目主要完成了以下几项工作：（1）提出一种基于毫米波体域网信道特征的新型无密钥认证方法，经由原型系统采集数据，评估确认了方法的可用性和有效性。（2）提出一种基于多频段信号时频域特征的身体中心签名授权方法，利用签名者浅表层爬行波与空间表面波共同作用产生的内在身份相关时频域信息，实现伴随通信过程的自然签名，该方法可满足信息论噪声信道模型安全签名必要条件。（3）提出一种由微波系统实现的身体中心弱随机源。该方法结合用户与体域网设备，不需要增添额外硬件，可得到能量友好、高频随机性能接近成熟算法的随机序列，可作为随机放大所需至少两类弱随机源的候选方案。通过本项目的开展，将信息的电波载体转化为优良的泛在感知介质，从已有良好理论基础的天线与电波传播角度促进了身体中心无线网络及通信安全的科学理论化。