[發(fā)明專利]可對抗任意竊聽天線數(shù)量的物理層安全傳輸方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010010737.7
• 申請日: 2020-01-06
• 公開（公告）號: CN111726221B
• 公開（公告）日: 2021-07-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 唐杰;許愛東;文紅;林致遠;張宇南;蔣屹新
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號: H04L9/08
• 分類號: H04L9/08;H04B7/0456;H04B7/08
• 代理公司: 成都金英專利代理事務(wù)所(普通合伙) 51218
• 代理人: 袁英

本發(fā)明提出了可對抗任意竊聽天線數(shù)量的物理層安全傳輸方法，通過本技術(shù)的預(yù)編碼處理，可以對抗具有任意多天線數(shù)量的竊聽者或具有任意多個協(xié)作節(jié)點的竊聽者，且合法收發(fā)雙方無需共享任何密鑰信息，無論竊聽者使用多少根天線進行竊聽，任然可以保證其接收機密信息的誤碼率為0.5，實現(xiàn)高強度物理層安全傳輸，更具有低功耗，低復(fù)雜度，低干擾優(yōu)點，無需任何額外的人工噪聲或協(xié)作干擾，即實現(xiàn)可對抗任意多天線的竊聽者的物理層安全通信，不會增加網(wǎng)絡(luò)的額外負擔(dān)或?qū)ζ渌脩粼斐啥嘤喔蓴_；在本方法的通信過程中，合法通信雙方Alice和Bob分別需要一個半徑為R的保護區(qū)域圍繞自己，使得竊聽者Eve不能進入保護區(qū)域進行竊聽，保證Eve的信道與Alice和Bob均相互獨立。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及信息安全領(lǐng)域，尤其涉及可對抗任意竊聽天線數(shù)量的物理層安全傳輸方法。

背景技術(shù)

隨著5G和物聯(lián)網(wǎng)及邊緣計算網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，大量新型的業(yè)務(wù)與應(yīng)用不斷涌現(xiàn)；無線網(wǎng)絡(luò)中的各種保密和敏感數(shù)據(jù)呈海量式增長，隨之而來的信息安全問題越來越突出，安全性正逐漸成為各種不同業(yè)務(wù)應(yīng)用的前提條件；與傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)相比，無線移動信道的廣播特性和移動特性，使得網(wǎng)絡(luò)中合法用戶的通信很容易遭到非法用戶的竊聽和攻擊，在傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)中，通常在網(wǎng)絡(luò)層及上層使用基于密碼學(xué)的加密技術(shù)保障系統(tǒng)通信安全，然而僅僅依靠現(xiàn)有的密碼學(xué)安全技術(shù)應(yīng)用于未來無線移動網(wǎng)絡(luò)大量業(yè)務(wù)和應(yīng)用場景，尤其是在IoT網(wǎng)絡(luò)中海量傳感節(jié)點和邊緣節(jié)點通常在無人監(jiān)控下以較低功耗運行，其計算資源和電源效率十分有限，無法支持高計算復(fù)雜的加密以及認證技術(shù)；基于物理信道的安全技術(shù)旨在利用無線通信物理媒介的隨機性和唯一性，充分利用無線傳輸?shù)男诺赖奈ㄒ恍院酮毩⑻匦裕Y(jié)合信號設(shè)計、調(diào)制和編碼等技術(shù)，提高合法信道的接收質(zhì)量，同時惡化和擾亂攻擊者信道和接收條件，使得竊聽者截獲的信息與合法雙方傳輸?shù)拿孛苄畔⒌幕バ畔⒘繛?，從而實現(xiàn)不需要密鑰的高強度無條件安全傳輸。

然而，當(dāng)前物理層安全傳輸技術(shù)，包括多天線波束成形與預(yù)編碼，人工噪聲，協(xié)作干擾等技術(shù)都無法直接對抗具有任意數(shù)量多天線的竊聽者；竊聽者只需要增加自己的竊聽天線數(shù)量，并在接收端利用最大比合并接收(MRC)或最優(yōu)干擾消除合并等信號處理技術(shù)，就可使竊聽方接收質(zhì)量(信噪比或信干噪比)得到提升；如果竊聽者的天線數(shù)量超過合法通信雙方總和的一定比例，竊聽者可以使其接收信號質(zhì)量超過合法接收者，使得當(dāng)前物理層安全方法的安全容量降至為0，此時意味著當(dāng)前的物理層安全傳輸方法失效；隨著5G毫米波通信、大規(guī)模MIMO和分布式MIMO的迅速發(fā)展，一個擁有豐富天線資源的竊聽者總可以使用大量的天線進行竊聽；而考慮在現(xiàn)實應(yīng)用中，合法通信雙方不可能知道竊聽者到底用了多少根天線進行竊聽，因此很難使用更多的天線去對抗竊聽者；目前的物理層安全傳輸技術(shù)無法對抗具有超過合法通信雙方天線總數(shù)的竊聽者。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于，針對上述問題，提出可對抗任意竊聽天線數(shù)量的物理層安全傳輸方法，合法通信雙方Alice和Bob分別利用半徑為R的保護區(qū)域圍繞自己，保護區(qū)域的半徑長度R大于信道的不相關(guān)距離，R的長度由信道傳播環(huán)境和載頻頻率決定，使得竊聽者Eve不能進入保護區(qū)域進行竊聽，保證Eve的信道與Alice和Bob均相互獨立；所述方法包括如下步驟：

S1：合法通信雙方Alice和Bob進行通信確認；

S2：Alice隨機生成一個M_S比特的密鑰比特b_k，將密鑰比特b_k映射為密鑰符號K，并異或密鑰比特b_k與待發(fā)送機密信息b，得到加密后的密文比特流b_s，并將b_s調(diào)制為調(diào)制符號s＝(s₁,..,s_N)；

S3：Bob向Alice發(fā)送導(dǎo)頻序列，Alice計算備選預(yù)編碼空間W，并利用W(e)預(yù)編碼發(fā)送調(diào)制符號流s＝(s₁,..,s_N)；