基于物理层信道噪声辅助的轻重量密码算法设计技术研究

In the resource constrained environment applications such as the wireless terminals, sensor networks, Internet of things and RFID tags need security schemes with low power consumption, low cost and high throughput to meet the security demand of systems, which can provide encryption and decryption, entity authentication, malicious nodes identification. The design of such security schemes requires the cryptographies with high level security and low complexity. AES algorithm which is widely popular because of its excellent security performance is not suitable for this kind of low energy consumption and limited computing resources environment. The lightweight cryptography with high level of security has been an important research topic in the cryptographic research field. Now the design of the lightweight cryptography with both high security and lower complexity has met the “bottleneck” period.. The research of this project aims to design the lightweight cryptography algorithm assisted by the wireless channel noise characteristics at the physical layer. The research will reveal the noise random statistical characteristics under the different channel model and the relationship between these characteristics and the "confusion" and "diffusion" characteristics in the design of the cryptograph. The security enhancement mechanism will be provided. The cross-layer security system combined the physical layer and the upper layer together will be presented under the resource limited environment. Based on physical layer channel noise, the design methods of the lightweight cryptography and authentication protocol will be given, which intends to provide a new low complexity, high security lightweight cipher design technology for energy constrained wireless communication system.

在无线终端、传感器网、物联网和RFID等资源受限环境的应用中需要低功耗、低成本、高吞吐率和达到安全需求的加解密、实体认证、恶意或失效节点鉴别，这些安全措施的设计需要高安全级、低复杂度的密码作为基础，广受欢迎的密码算法AES并不能适合这种低耗能和计算资源有限的环境，高安全级、低复杂度密码算法的设计一直是密码学中的重要研究课题，基于计算的轻量级密码算法的设计要同时兼顾高安全性、更低的时间和空间复杂度已经到了“瓶颈”时期.本项目将研究基于物理层噪声特性的轻重量密码算法设计，通过对无线信道随机统计特性的研究，揭示不同信道模型下噪声的随机统计特性与密码设计中“混淆”和“扩散”的联系及对密码系统安全性能的增强机理，提出资源受限环境下物理层与上层的“跨层”安全系统设计模型；开展基于物理层噪声的轻重量密码和认证协议设计研究，拟为能量受限环境无线通信系统提供一种新的低复杂度、高安全性的轻重量密码设计技术。

本项目自立项以来围绕基于物理层噪声特性的轻重量密码算法设计展开研究，通过对无线信道随机统计特性的研究，揭示不同信道模型下噪声的随机统计特性与密码设计中“混淆”和“扩散” 的联系及对密码系统安全性能的增强机理，提出资源受限环境下物理层与上层的“跨层”安全系统设计模型；开展基于物理层噪声的轻重量密码和认证协议设计研究，研究了噪声下的射频指纹识别认证、物理特征的高强度抗攻击方法等。主要研究内容包括：结合人工噪声的协作通信安全传输设计；结合人工噪声的非理想信道估计条件下的协作通信安全传输设计；噪声环境下基于OSTBC变形码跨层安全通信方案；噪声环境下基于基扩展模型信道信息的物理层认证方法；消噪的相参积累射频指纹特征识别算法；基于射频指纹和信道信息的物理层联合轻重量认证方法；基于主动攻击下的物理噪声密钥分发；基于边缘计算的物理层加密认证模型。.研究成果应用于物联网下的边缘计算系统，其不对称的加密和认证方法，为能量受限环境无线通信系统提供一种新的低复杂度、高安全性的轻重量密码设计技术，在该技术基础上，项目为边缘计算环境设计了安全认证协议、认证方法。项目按进度执行并完成。项目完成了研究内容，进行了一系列基础理论和关键技术的突破，发表论文46篇，其中SCI论文27篇，包括1区论文8篇，二区论文10篇；申请发明专利20项，其中12项获得授权；获得省部级奖两次。