網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的應(yīng)用同時也帶來了更復(fù)雜的安全問題。網(wǎng)絡(luò)編碼允許中繼節(jié)點將不同的數(shù)據(jù)進行混合,掩蓋了原來的信源消息數(shù)據(jù),跟傳統(tǒng)通信模式相比,其安全問題變得更加復(fù)雜。網(wǎng)絡(luò)編碼和中繼協(xié)作結(jié)合時,將網(wǎng)絡(luò)編碼運用在無線雙向中繼系統(tǒng)中,產(chǎn)生了物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)。物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)利用了無線電磁波在空中疊加的特性,將雙向中繼系統(tǒng)的通信時間縮短為兩個時隙,網(wǎng)絡(luò)吞吐量提高的同時卻帶來了更復(fù)雜的安全問題。本文既對物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)本身進行了研究,又對物理層網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)的安全問題進行了研究,主要創(chuàng)新工作如下:(1)為了解決疊加信號在具有信道噪聲和多徑效應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)中能夠順利解碼的問題,提出基于信道預(yù)均衡的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方案。本文研究物理層網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)的安全問題。系統(tǒng)安全的首要前提是合法用戶自己能夠正確解碼,而實際系統(tǒng)中物理層網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)的復(fù)雜性在于,中繼節(jié)點接收的疊加信號,經(jīng)過了兩側(cè)信道的不同失真,同時疊加了不同的高斯白噪聲,需要從這個疊加信號中提取到未失真的信息。在多徑信道環(huán)境下,信道失真更加嚴重,存在碼間干擾的情況下,如何從疊加信號中提取信息是難點所在。為解決疊加信號在具有信道噪聲和多徑效應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)中能夠順利解碼,本文提出了基于兩種信道預(yù)均衡的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方案,包括基于信道時域預(yù)均衡的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方案和基于信道頻域預(yù)均衡的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方案,前者適用于時域均衡的系統(tǒng),后者適用于頻域均衡的系統(tǒng)�；跁r域預(yù)均衡的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方案中,在物理層網(wǎng)絡(luò)編碼中使用自適應(yīng)的時域預(yù)均衡技術(shù),根據(jù)信道特征自適應(yīng)的調(diào)節(jié)均衡器參數(shù),均衡器參數(shù)同時供兩側(cè)用戶(Alice或Bob)預(yù)均衡和均衡使用,同樣中繼端不需要設(shè)置均衡器,既節(jié)約了成本又提高了效率。基于頻域預(yù)均衡的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方案中,Alice和Bob在發(fā)送信號時使用頻域預(yù)均衡技術(shù)進行預(yù)均衡,同時在接收信號時使用頻域均衡技術(shù)進行后均衡,同樣中繼端不需要設(shè)置均衡器。該方案結(jié)合了單載波頻域均衡、預(yù)均衡和物理層網(wǎng)絡(luò)編碼等技術(shù)的優(yōu)點,將為物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的研究提供新的視角。仿真結(jié)果表明,信道頻域預(yù)均衡的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)的性能優(yōu)于信道時域預(yù)均衡的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)的性能。(2)為了解決基于時域預(yù)均衡的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)的安全問題,提出自適應(yīng)量化的信道時域密鑰生成算法及使用該算法加密的安全物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方案。信道密鑰生成屬于物理層安全的范疇,其結(jié)合了傳統(tǒng)加密和物理層安全兩種技術(shù),既具有傳統(tǒng)加密易于實現(xiàn)的優(yōu)點,又具有物理層安全的安全性高的優(yōu)點。本文研究了雙向中繼系統(tǒng)中基于信道時域生成密鑰的原理,分析了密鑰生成過程和密鑰交換過程,給出了兩種密鑰組合機制,使用互信息理論對多徑信道環(huán)境下兩種密鑰組合機制的密鑰容量進行了推導(dǎo)和驗證,接著在此基礎(chǔ)上提出了一種自適應(yīng)量化的信道時域密鑰生成算法,該算法通過自適應(yīng)地選擇量化參數(shù)能在保證密鑰生成速率的同時提高密鑰的可靠性,還研究了自適應(yīng)量化算法下兩種密鑰組合機制下的密鑰生成速率和密鑰不匹配率。然后,將自適應(yīng)量化的信道時域密鑰生成算法產(chǎn)生的密鑰,運用在基于時域預(yù)均衡的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)中,進行加密和解密,提出了基于信道時域密鑰生成技術(shù)跟時域預(yù)均衡技術(shù)相結(jié)合的安全物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方案。該安全方案不僅關(guān)注密鑰生成過程,還關(guān)注在網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)傳輸有用信息過程中使用生成的密鑰進行加密解密的問題,將物理層安全同物理層網(wǎng)絡(luò)編碼相結(jié)合,為網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)的安全問題提供了新的解決方案。仿真結(jié)果表明,基于信道時域生成密鑰加密的安全方案能保證物理層網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)的安全性,有效地防止了非法用戶的竊聽攻擊。(3)為了解決基于頻域預(yù)均衡的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)的安全問題,提出自適應(yīng)量化的信道頻域密鑰生成算法及使用該算法加密的安全物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方案。物理層安全系統(tǒng)的密鑰與信道特性密切相關(guān),對于多徑瑞利衰落的信道,信道的頻域具有頻率選擇性,其頻域值分布更分散,與時域沖擊響應(yīng)相比,可以帶來更多的信息量,因此,基于信道頻域特征提取密鑰的相關(guān)研究也值得關(guān)注。本文首先推導(dǎo)證明了瑞利信道的頻域響應(yīng)可以作為隨機源來生成密鑰,為基于信道頻域生成密鑰可行性提供了理論依據(jù),接著為了構(gòu)建能同時利用信道頻域的幅度特性和相位特性生成密鑰的機制,研究了單載波頻域均衡系統(tǒng)中基于信道頻域響應(yīng)的密鑰生成技術(shù),提出一種自適應(yīng)量化信道頻域密鑰生成算法,推導(dǎo)了其密鑰容量。跟信道時域密鑰生成算法相比,信道頻域密鑰生成算法可以數(shù)倍地提高密鑰容量,進而大幅提高密鑰生成速率。然后,將自適應(yīng)量化的信道頻域密鑰生成算法產(chǎn)生的密鑰,運用在基于頻域預(yù)均衡的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)中,進行加密和解密,提出了基于信道頻域密鑰生成技術(shù)跟頻域預(yù)均衡技術(shù)相結(jié)合的安全物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方案。仿真結(jié)果表明,基于信道頻域生成密鑰加密的安全方案能保證物理層網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)的安全性,有效地防止了非法用戶的竊聽攻擊;跟基于信道時域生成密鑰相比,基于信道頻域生成密鑰的密鑰容量和密鑰生成速率更高,并且系統(tǒng)的誤比特性能也更好。(4)以上兩種安全方案中在密鑰生成時均需要密鑰交換過程,造成了部分密鑰信息的泄露,為了解決這個問題,提出基于信道聯(lián)合的密鑰生成算法及使用該算法加密的安全物理層網(wǎng)絡(luò)編碼方案。在雙向中繼系統(tǒng)中,通信雙方之間沒有直接通信鏈路,只能通過中繼節(jié)點進行通信,當(dāng)使用基于信道生成密鑰技術(shù)時,通信雙方只生成和知曉自己的密鑰。為了實現(xiàn)互相通信,還需要知曉對方生成的密鑰。因此在雙向中繼系統(tǒng)中使用基于信道生成密鑰技術(shù)時,還需要密鑰交換過程,隨之帶來的問題是在密鑰交換過程中,兩側(cè)密鑰的異或信息會被非法用戶獲取,導(dǎo)致部分密鑰信息的泄露。為了解決這一問題,提出了基于信道聯(lián)合的密鑰生成算法,根據(jù)信道時域和信道頻域的密鑰生成來劃分,分為時域聯(lián)合密鑰生成和頻域聯(lián)合密鑰生成兩種。基于信道聯(lián)合的密鑰生成算法避免了密鑰交換,在密鑰生成過程中自然地進行密鑰交換,不僅解決了部分密碼信息泄露的問題,而且該密鑰還對中繼節(jié)點保密,進一步增強了系統(tǒng)安全性。然后,將時域聯(lián)合密鑰生成和頻域聯(lián)合密鑰生成算法產(chǎn)生的密鑰,分別運用在基于時域和頻域預(yù)均衡的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)中,進行加密和解密,解決安全問題。仿真結(jié)果表明,基于信道聯(lián)合生成密鑰加密的安全方案能保證物理層網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)的安全性,有效地防止了非法用戶的竊聽攻擊,并且基于信道頻域聯(lián)合密鑰加密系統(tǒng)的性能總體上優(yōu)于基于信道時域聯(lián)合密鑰加密系統(tǒng)。
【學(xué)位單位】：南京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN918.4
【部分圖文】：

lice 和 Bob 同時向 Relay 發(fā)送62 × 10個數(shù)據(jù)比特，采用 QPSK 調(diào)制生成610個 Q，發(fā)送信號功率為2，調(diào)制的幅度為 2 。假設(shè)兩側(cè)上下行信道的高斯白噪聲功比特信噪比2=1br /σ ，br 取值范圍為-10dB 至 15dB。過210次仿真得到了三種轉(zhuǎn)發(fā)模式的誤碼率曲線如圖 3.4 所示，經(jīng)對比跟推導(dǎo)計式曲線重合，驗證了誤碼率推導(dǎo)式(3.24)、式(3.27)和式(3.29)的正確性。由圖 3.4 5 dB時，AF 性能最好，DEF 性能次之，DnF 性能最差；當(dāng)b 5 d B < r < 0dB時最好，AF 性能次之，DnF 性能最差；當(dāng)br > 0dB時，DEF 性能最好，DnF 性能最差。

圖 3.5 三種轉(zhuǎn)發(fā)模式下物理層網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)的誤比特率性能般的通信環(huán)境下，要保證正常通信需要足夠低的誤碼率。放大轉(zhuǎn)發(fā)模式將噪聲影響了系統(tǒng)性能，去噪轉(zhuǎn)發(fā)和去噪再編碼兩種模式在中繼節(jié)點進行去噪后再轉(zhuǎn)較好的環(huán)境下，系統(tǒng)性能會提高。由于有效通信環(huán)境信噪比通常滿足br > 0dB編碼轉(zhuǎn)發(fā)模式是物理層網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)中最優(yōu)的轉(zhuǎn)發(fā)模式。率選擇性信道下的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)模型5HOD\AyA By +yH 436.Ac436.ByAsBs

鑰生成速率將隨著q的增長而增長，密鑰容量是密鑰生成速率的上限，密鑰生過密鑰容量，因此q的選擇應(yīng)該滿足一定的約束，如式(4.14)所示。{ }max ( ). . ( 1)q qR qs t R q C∈+ < 中，q為整數(shù)，q∈ , ={i : i =01,2,3,...}，， R( q )為密鑰生成速率（式(4.8)-(4.13容量（式(4.6)(4.7)）。了密鑰生成速率外，密鑰不匹配率是衡量密鑰生成算法的另一個重要參數(shù)。在鑰生成技術(shù)中，通信雙方分別根據(jù)各自估計的信道進行密鑰生成，不完全對稱噪聲等因素都會造成提取信道參數(shù)的偏差，從而帶來生成密鑰的偏差，造成密過仿真，得到密鑰不匹配率與噪聲功率、量化比特數(shù)q和信噪比 SNR 的關(guān)系如
【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前3條

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3 羅明星;楊義先;王勵成;鈕心忻;;抗竊聽的安全網(wǎng)絡(luò)編碼[J];中國科學(xué):信息科學(xué);2010年02期

本文編號：2888057