无线网络中基于物理层安全的消息认证跨层协议研究

Due to the broadcast nature of wireless channel, wireless communication is prone to being attacked, many attacking methods, such as eavesdropping, message modification, and node impersonation, are presented. Hence, as an ingenious solution, the physical-layer-security-based approach with low power, low computational complexity and high security becomes one of the hot research topics in wireless security. In this project, the design of message authentication protocol with information theoretic security by using physical layer security technology is the main thought. Fristly, for the lack of authentication framework and the weakness of theoretical principle on message authentication over noise channel, a new authentication framework over wiretap channel model is proposed; an efficiency measure of an authentication protocol is defined formally under this framework; the authentication channel capacity is discussed and a new capacity-achievable message authentication protocol is presented. Secondly, to address the problem of the high computational complexity of the existing physical-layer-based authentication protocols, a new computationally efficient secure coding scheme is designed with “rateless code” technique, and a computationally efficient message authentication protocol is presented. Thirdly, to address the limitation that the existing physical-layer-based authentication protocols is weak in practicality, a physical-layer-based scheme is presented to set up a specific wiretap channel model (i.e., the capacity of main channel is larger than the wiretap channel) with self-interference and self-interference cancellation. Moreover, the project also proposes new application solutions for message authentication between wireless terminal device (such as PCs and mobile phones, etc.) over acoustic channel and radio frequency channel, respectively.

由于无线信道的广播特性，无线通信容易受到信息窃听、消息篡改、节点冒充等攻击。因此，具有低能耗、低运算量、高安全性的物理层安全协议成为当前无线安全领域的研究热点。本课题将以物理层安全技术为线索，研究可达信息论安全的消息认证协议。针对现有基于噪声信道的消息认证理论薄弱、无统一的认证理论框架的问题，建立普适的基于窃听信道的认证框架，研究该框架下的认证效率测度并讨论认证信道容量，设计出可实现认证密钥多项式次复用、安全性高、容量可达的消息认证协议。针对现有基于窃听信道的消息认证协议计算复杂度高的问题，利用“无率码”思想设计出计算有效的安全编码方案，并设计出计算有效的消息认证协议。针对目前基于物理层的消息认证协议实用性差的问题，采用自干扰和自干扰消除等物理层技术设计出满足主信道容量大于窃听信道容量的窃听信道模型实用方案，设计基于射频和音频信道的消息认证应用方案，并在PC机和手机等无线终端上实现该方案。

由于无线信道的广播特性，无线通信容易受到信息窃听、消息篡改、节点冒充等攻击。因此，具有低能耗、低运算量、高安全性的物理层安全协议成为当前无线安全领域的研究热点。本课题以物理层安全技术为线索，研究可达信息论安全的消息认证协议。为此，本项目对以下三个方面内容展开研究：1）基于噪声信道的消息认证框架模型的建立；2）认证信道容量可达认证协议的设计；3）可实现认证密钥多项式次复用的、可达信息论安全的计算有效认证协议研究。项目执行过程中取得了如下研究成果：1）提出了新的基于噪声信道的消息认证框架模型，并证明了该认证模型的认证信道容量.2) 设计了可达信息论安全，可实现认证密钥多项式次复用，且可以达认证容量的认证协议。3）提出了基于安全LDPC码的计算有效的物理层消息认证协议，该协议在二元擦除窃听信道模型下，利用Large-girth-LDPC码编码思想设计出低编码和解码复杂度的强安全LDPC码编码方案，并结合轻量级的一致均匀哈希函数类实现了高效的、高安全性的物理层认证。4）提出了基于安全Polar码的计算有效的物理层消息认证协议，该协议在特定信道条件下可通过Poalr 码来实现物理层安全认证。5）设计了基于音频硬件指纹的物理层设备认证协议，该协议利用无线设备自带的麦克风和扩音器，从中提取物理指纹用于设备认证。在国际顶级学术期刊上发表被SCI 检索论文11篇,其中包括中科院1区期刊论文5篇，CCF A类期刊论文2篇，中科院2区期刊论文4篇；EI 检索期刊和会议论文4篇。相关研究成果申请了2项发明专利；培养了3名博士研究生。