【摘要】：隨著社會的發(fā)展,通信早已同國計民生的方方面面緊密聯(lián)系起來,而通信安全則是保證相關(guān)應(yīng)用能夠正常運轉(zhuǎn)的基本要素,特別是涉及到利用無線通信對機密信息進(jìn)行傳送的情況下,由于無線信道的廣播特性,使其更加容易遭受到層出不窮的惡意攻擊。在5G到來之前,普遍采用的安全認(rèn)證方案大多是構(gòu)筑于物理層之上的加密技術(shù)。隨著網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備的爆發(fā)式增長和計算能力的不斷提升,傳統(tǒng)的安全認(rèn)證方案逐漸顯露出種種不足,各種相關(guān)算法的設(shè)計也日趨復(fù)雜。構(gòu)筑于物理層的安全認(rèn)證方案可以利用無線信道的諸多優(yōu)良特性,具有原理簡單且性能可靠的優(yōu)勢。機器學(xué)習(xí)算法可以高效實現(xiàn)對海量數(shù)據(jù)的規(guī)律分析和特征攫取,而通過通信過程中的信道估計,可以輕松獲得足夠的信道數(shù)據(jù),因此將機器學(xué)習(xí)應(yīng)用到物理層安全認(rèn)證中在理論層面上具備可行性。為了高效識別并提取信道物理信息的特征,本文著重研究了基于機器學(xué)習(xí)的物理層安全認(rèn)證方案設(shè)計,主要的研究工作分列如下:(1)本文針對如今通信場景的變化以及計算能力的提升等諸多因素引起的傳統(tǒng)通信安全解決方案逐漸力有不逮的情況,指出基于物理層的安全方案是一個極具潛力的研究方向。文中簡要概述和總結(jié)了現(xiàn)階段已經(jīng)存在的物理層安全方案,針對已有研究工作的不足和局限,提出了結(jié)合機器學(xué)習(xí)算法的物理層安全認(rèn)證方案。該方案不需要對信道模型或者信道變化做出特別地假設(shè),也不需要事先知道關(guān)于通信系統(tǒng)的任何先驗知識,完全是構(gòu)筑在信道觀測數(shù)據(jù)上的自適應(yīng)安全認(rèn)證方案。(2)在眾多在機器學(xué)習(xí)算法中,本文針對kNN算法,Logistic回歸算法,SVM以及CNN與物理層安全認(rèn)證的結(jié)合進(jìn)行了算法方案設(shè)計。文中建立了物理層安全認(rèn)證的系統(tǒng)模型,對認(rèn)證流程進(jìn)行了簡要論述,接著通過對無線信道的分析,提出了利用無線信道CSI進(jìn)行物理層安全認(rèn)證的方案。為了實現(xiàn)機器學(xué)習(xí)算法對CSI數(shù)據(jù)的有效利用,針對不同機器學(xué)習(xí)算法的特點,分別對仿真得到的CSI數(shù)據(jù)進(jìn)行了特殊的預(yù)處理。在不同的參數(shù)設(shè)置下,仿真證明了將機器學(xué)習(xí)算法和物理層安全認(rèn)證進(jìn)行結(jié)合的有效性。經(jīng)過對比分析,發(fā)現(xiàn)基于機器學(xué)習(xí)算法的安全認(rèn)證方案的性能相比傳統(tǒng)的基于NP測試的物理層安全認(rèn)證方案有巨大的提升,在基于機器學(xué)習(xí)算法的物理層安全認(rèn)證方案中,基于kNN的物理層安全認(rèn)證方案時間復(fù)雜度最低,基于CNN的物理層安全認(rèn)證方案效果最佳。(3)考慮到機器學(xué)習(xí)算法特別是深度學(xué)習(xí)算法的訓(xùn)練往往需要大量的標(biāo)注樣本,而當(dāng)攻擊者采取一些偽裝手段時,對這些樣本進(jìn)行標(biāo)注將消耗大量的資源。為了實現(xiàn)對信道樣本的充分利用,本文還提出了基于半監(jiān)督學(xué)習(xí)的物理層安全認(rèn)證算法。通過利用K-means聚類和少量已標(biāo)注信道樣本,對收集到的其它未標(biāo)注樣本進(jìn)行聚類,通過標(biāo)注偽標(biāo)簽的形式實現(xiàn)了CNN訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的極大拓展。經(jīng)過蒙特卡洛仿真,證明了基于半監(jiān)督學(xué)習(xí)算法的物理層安全認(rèn)證方案在標(biāo)注樣本受限情況下的卓越性能。
【圖文】：

用于物理層安全認(rèn)證的CNN框架設(shè)計

半監(jiān)督學(xué)習(xí)方案架構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP181;TN918

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本文編號：2690247