【摘要】：第五代移動通信(the Fifth Generation,5G)基于異構(gòu)組網(wǎng)與新型無線技術(shù),為海量設(shè)備的接入、豐富的無線業(yè)務(wù)以及快速的數(shù)據(jù)流量增長提供支持。由于無線信道的開放,以及終端計算能力的顯著提升,5G對移動通信安全提出了更高的要求。物理層安全成為近年來的研究熱點,為保障5G通信的絕對安全提供了新的思路。5G物理層密鑰生成技術(shù)利用無線信道隨機特性,通過密鑰提取機制生成通信密鑰對信息進行加密保護。本論文重點針對物理層密鑰提取機制安全性能的評估,開展了下述研究工作:針對5G物理層密鑰提取機制安全性能評估缺少通用算法的問題,在多竊聽者的場景下,使用竊聽模型與隱馬爾科夫模型對信道進行建模,結(jié)合維特比算法與前向算法,提出了兩種評估密鑰提取機制安全程度的算法:最優(yōu)化算法與次優(yōu)化算法,可以使用具體的數(shù)值表示密鑰提取機制的安全程度。最優(yōu)化算法的計算精確度高但是計算復(fù)雜度也高。次優(yōu)化算法面向計算能力較差的場景,算法的精確度低但是計算復(fù)雜度也有明顯的降低。最后通過仿真,驗證了兩種算法在計算精確度與計算復(fù)雜度兩方面的性能差異。進一步,為驗證上文提出的兩種安全評估算法具有場景通用性,選取5G典型應(yīng)用場景一車載自組織網(wǎng)絡(luò)(Vehicular Ad-Hoc Network,VANET)作為實際應(yīng)用場景,提出一種可以隱藏密鑰協(xié)商通信方身份的密鑰協(xié)商機制。該密鑰協(xié)商機制基于傳統(tǒng)公鑰密碼體制,使用非對稱密碼體制與數(shù)字簽名保證密鑰生成的安全性。本文基于上文提出的兩種安全評估算法對該密鑰協(xié)商機制進行了安全性能評估。仿真結(jié)果表明,該密鑰提取機制的密鑰生成過程是安全的,并且具有更低的通信時間開銷。針對車載自組織網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有群組密鑰管理方案在安全性能與通信資源開銷方面的不足,提出了一種基于雙組長策略的群組密鑰管理機制。該群組密鑰管理機制結(jié)合上文提出的隱藏身份的密鑰協(xié)商機制與雙組長策略,對群組中的車輛節(jié)點進行身份認證與密鑰協(xié)商,并且使用門限秘密共享方案進行密鑰的分發(fā)、新節(jié)點的身份驗證以及密鑰恢復(fù)。基于上文提出的兩種安全評估算法對該群組密鑰管理機制進行安全性能評估,仿真結(jié)果表明,該群組密鑰管理機制的密鑰生成過程是安全的,并且具有更低的通信時間開銷。
【圖文】：

邐邐邋＂Ｎ逡逑圖２－１隱馬爾科夫模型逡逑在隱馬爾科夫模型Ａ？５，ｎ）中，Ｊ是一個的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，矩陣中逡逑的每一個元素％都是隱藏狀態(tài)集合中的當前狀態(tài)為＼，下一個狀態(tài)為＼的轉(zhuǎn)移概逡逑率，Ａ＝Ｐ［Ｘ，＋１＝＼｜Ｚ，＝＇］［５２１。５是一個Ｍ＊；Ｖ階的概率矩陣，矩陣中的每一個逡逑元素＼（０；）指的是，在？時刻的隱藏狀態(tài)為夂＝＝＆，這一時刻對應(yīng)的觀測狀態(tài)逡逑的概率＿，＇（０／）邋＝邋ｐ［｝＾０，．｜Ａ＝ｉＳｊ。ｎ是一個階的矩陣，；ｒ；表示逡逑隱藏狀態(tài)的初始概率分布［５２］，，Ａ＝＝邋Ａ］。逡逑一個完整的ＨＭＭ模型，由隱藏狀態(tài)初始概率分布矩陣ｎ，狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣ｄ，逡逑概率矩陣Ｓ這三個元素決定。其中

竊聽者數(shù)ｌ：ｉ逡逑圖２－４最優(yōu)化算法與次優(yōu)化算法條件最小熵對比圖逡逑在圖２－４中可以看出，兩條曲線隨著竊聽者的數(shù)量增加，條件最小熵有著較逡逑大幅度的降低。當通信場景中存在多個竊聽者時，竊聽者可以獲得更多的關(guān)于逡逑Ａｌｉｃｅ測量值的信息，則存在于竊聽者測量值中的不確定度在密鑰提取的步驟中，逡逑更容易降到零，竊聽者推斷密鑰的難度會大大降低。圖中的兩條曲線，分別對應(yīng)逡逑兩種計算條件最小熵的算法。當竊聽者的個數(shù)為１時，兩條曲線重合，條件最小逡逑熵相等。這是因為在單竊聽者條件下，兩種算法的計箅沒有任何區(qū)別，計算得出逡逑１９逡逑
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN918.4;TN929.5

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本文編號：2681801