MIMO系统中基于物理层安全的密钥生成交换算法的研究

摘要

近年来，随着无线通信在生活中的普及，无线通信安全也得到了更多人的关注。无线通信中通常利用信道的互易性、唯一性、快速时变性和不可预测性，生成窃听者无法获取的密钥信息，达成无条件安全，这就是物理层安全。然而目前大多数物理层安全方法都关注于时分双工（TDD）系统，这些方式依赖信道的互异性来使通信双方获得随机密钥，无法用于频分双工（FDD）系统；除此之外，由于不同用户信道之间的差异性，这些方法目前只能用于单对单的用户场景中，无法支持多用户的密钥生成。因此，本文对FDD-MIMO系统以及多用户场景中的物理层安全密钥生成方案进行了深入研究。本文的主要研究工作如下：
　　(1)研究了基于私密随机预编码的密钥交换算法(PRP)。这种方案的原理是利用预编码矩阵序列号的方式，在发送方和接收方之间建立高度安全的密钥交换过程。这样的密钥交换算法不仅可以用于TDD系统里，还可以在FDD系统中使用。通过仿真还证明了PRP算法具有很好的密钥错误率，并且具有很高的安全性。
　　(2)本文针对私密随机预编码密钥交换算法的安全隐患，提出了改进后的私密随机预编码，增加了私密码本的随机性与保密性，进一步加强了密钥交换算法的安全性。通过理论与仿真分析，本文验证了改进后的私密随机预编码密钥交换算法在具有更高的安全性，同时还能具备良好的密钥错误率。
　　(3)提出了两种不同的网络拓扑结构，将私密随机预编码密钥交换方法应用到了多用户场景中。通过理论计算与仿真，根据用户需求的不同给出了两种拓扑结构各自适用的场合。

目录

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缩略词表

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2国内外的研究现状

1.3本文的主要工作

1.4本文的结构安排

第二章 无线信道特征量化密钥生成方式与预编码

2.1无线信道的互易性

2.2无线信道特征量化密钥生成方法

2.3无线信道特征量化密钥生成方法的缺点

2.4 MIMO系统中的预编码

2.5本章小结

第三章 基于私密随机预编码的密钥交换算法

3.1系统模型

3.2收发双方共享的私密随机值

3.3生成私密码本序列

3.4密钥交换算法

3.5 PRP密钥交换算法的仿真结果与分析

3.6 PRP算法存在的风险

3.7本章小结

第四章 改进后的私密随机预编码密钥交换算法

4.1 PASkey密钥生成算法

4.2 EVSkey密钥生成算法

4.3改进后的PRP密钥交换算法

4.4 PAPRP算法与EVPRP算法的安全性

4.5 PAPRP算法与EVPRP算法的仿真结果与分析

4.6本章小结

第五章 多用户场景中的密钥交换

5.1多用户场景

5.2用于辅助密钥交换的中继节点

5.3星型拓扑结构与链型拓扑结构

5.4两种网络拓扑结构在部分用户交换密钥时的对比

5.5多用户场景中PRP算法的密钥一致性

5.6本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2对未来的展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间获得成果

个人简历