基于压缩感知的物理层安全方案研究

• 作 者: 胡琴
• 出 处: 西安电子科技大学
• 发表日期: 2021年05期
• 关键词: 物理层安全 正交频分复用 压缩感知 信道估计

物联网中的无线传感器网络具有内存、计算和资源有限等特点,这些约束限制使得计算复杂度高、能耗较大的传统密码学(如RSA算法、AES算法)加密不适用于此。同时,这些传感器网络可能还承担着关键任务,发挥着重要的作用。因此,需要保证数据传输的安全。物理层安全采用正交频分复用技术,它在保护当前和未来网络数据传输方面前景广阔。OFDM是现代网络中多载波调制的基本构件,如物联网、车载自组网以及4G/5G系统。大多数现有的基于OFDM系统的安全解决方案在将密钥与从物理信道提取的随机信息相结合时,缺乏保密性和灵活性。在各种安全解决方案中,利用压缩感知与物理层安全相结合来实现安全是一种非常有效的方法。压缩感知,作为一种新的物理层安全技术,打破了传统的被奉为黄金定律的奈奎斯特采样定理。该理论提出,如果信号具有稀疏性或在某域上表现出稀疏性,那么在接收端就可以采用较少的数据恢复原始数据。将压缩感知合理引入OFDM中,则可以有效地节省频带资源,提高系统性能。首先,本文对物理层安全方案进行了研究,分析了已经存在的各种方案的特点和存在的问题,重点学习了OFDM技术的基本原理、压缩感知基本理论。通过研究和学习这些基本理论知识,为后续工作打下了理论基础。其次,本文针对物理层安全密钥的生成速率和安全问题,利用压缩感知技术,提出了一种动态密钥生成方案。通过安全性分析和性能仿真分析,得出所提出的动态密钥生成方案能够在保证安全性的前提下,具有较高的密钥生成速率。具体来说,一方面,本文所提出的动态密钥生成方案可以防御窃听攻击、针对测量矩阵的计算攻击和针对动态密钥的计算攻击;另一方面,与几种相关的密钥生成方案相比较,具有较高的密钥生成速率,表现出了较好的性能。最后,本文针对现有的基于OFDM系统的物理层安全方案所存在的主要问题,即大多数现有的物理层安全加密方案缺乏灵活性,在所提出的动态密钥生成方案的基础上,提出了一种灵活的物理层安全方案,可以将加密模块放在IFFT前和IFFT后,这两类方案可以满足不同的BER和安全性需求。通过仿真分析可以得出,本文所提方案由于利用了压缩感知技术,所以比传统典型的信道估计具有更好的BER性能。此外,这两类方案的性能差异虽然很小,但是当使用高阶调制方案(256-QAM调制)时,这种差异则变得具有相关性,对系统性能产生影响。因此,本文所提方案在BER性能和安全级别之间得到了权衡,提高了灵活性。即与时域加密方案相比,频域加密方案降低了信道衰落的影响,降低了误码率;而时域加密则更安全。