基于物理信道和编码的无条件安全通信系统关键技术研究

Traditionally, security is viewed as an independent feature addressed above the physical layer, and all widely used cryptographic protocols (e.g., AES) are designed and implemented with a pre-shared secret key, which can be broken if the computing time and sources are unlimited. A physical-layer (PHY) transmission with built-in security refers to as a transmission with a guaranteed property of the low-probability-of-interception (LPI) in the aspects of modulation, signal, and diversity channel, without resorting to source data encryption and a shared secret key, which is an effective approach to realize the Shannon's "Perfect Secrecy" theory (also called one time pad). Therefore, this approach is character as "unbroken" even if the eavesdroppers with unlimited resources and it is an effective approach in resolving the boundary, efficiency and link reliability issues in wireless communication networks..The project will research the key technologies of physical-layer security communication systems. The following three goals should be achieved in this project: (1) building enhance almost perfectly unconditional secure communication via channel characteristic approach; (2) the theory research of unconditional (perfect) secure communication system-bound and security evolution method; (3) construction the security coding approach the theoretical limitation.

从理论上来说：传统的采用预先共享密钥的方式来实现"加密"的技术都是可破的，其秘密的强度依赖于攻击方计算资源和时间的有限性假设。物理层信息"加密"技术方式，秘密信息发送方和接收方不需要预先共享密钥，利用无线信道特性的多变和随机特征实现物理层的"加密"，该技术实现了香农"一次一密"的思想，因此其具有不可破的特性。物理层信息安全技术的研究从理论上来说是探索香农"一次一密"解决思路的新出发点；从应用来说是解决无线安全问题的新途径。.本项目展开无线通信系统的物理层"加密"通信系统关键技术的研究，研究内容包括：1. 提出物理层"加密"的无线通信系统的系统模型；2. 分析该无线通信系统模型的安全性和传输效率，给出关于物理层"加密"无线通信系统的容量限分析模型；3.开展趋近容量限的物理层 "加密"的秘密编码技术研究。

不同于传统的信息安全技术，物理层信息安全技术的密钥就是无线信道的有噪特性，利用无线信道特性的多变和随机特征，通过巧妙的物理层信号的调制和编码设计，实现物理层的”加密”, 该技术实现了香农“一次一密”的思想，因此其具有不可破的特性。物理层信息安全技术的研究从理论上来说是探索香农“一次一密”解决思路的新出发点；从应用来说是解决无线安全问题的新途径。.“无条件秘密”通信系统实现的两步：第一步是建立合法通信者具有更好信道条件的优势窃听信道模型建立，第二步是通过“安全编码”来“扩大”合法接收者的优势，本课题按照这个思路展开研究，本课题研究结果部分在USRP的 “无条件”安全无线通信系统实测平台下进行了测试。.本课题取得的主要研究进展和重要结果: 在窃听者的接收天线数可能会比合法接收方多很多的场景下进行了信道安全容量最大化研究，证明了“无条件安全”通信系统在实际应用场景下建立的可能; 开展了MIMO Beamforming 联合安全编码的无条件安全无线通信系统建模、参数分析；针对中继协作通信场景，考虑发射端仅知道窃听用户的统计CSI，提出了基于人工噪声辅助的安全传输方案和一种自适应协作方案；特别针对安全速率和安全能效 (Secure Energy Efficiency, SEE) 两个性能指标，在传统的三节点安全通信模型，研究了基于人工噪声辅助的安全传输方案，弥补了安全能效在过去的物理层安全系统考虑不足的研究空白；对非理想信道估计的三个“无条件”安全无线通信系统模型与理想信道估计的模型进行了性能的比较和分析，打破了理想信道估计的理论研究模型；提出了“无条件”安全无线通信系统抗干扰研究模型，得到了初步的研究结果，为“无条件”安全无线通信系统在军事对抗领域的应用提供了研究参考；针对D2D通信终端一般仅具备有限的安全通信计算能力，提出了多终端协调的物理层轻重量安全传输方案；创新地提出了采用密码中的回弹函数进行二元和非二元安全码的构造新思路，得到了一大类逼近容量极限的安全码。