5G网络中基于信道预编码的物理层多消息认证协议研究

Next generation (5G) wireless networks are expected to support a wide range of services/use cases with distinct requirements (such as, cost-effective, flexible, and security). To meeting the high-level security requirement in many 5G network scenarios, in this project, the design of channel precoding based physical layer messages authentication protocols with perfect security by using physical layer security technology is the main thought. .Firstly, for the lack of channel precoding based authentication model over wiretap channel, a new authentication model with channel precoding techniques will be proposed, and the necessary and sufficient condition for the security of an authentication protocol will be studied under the proposed authentication model. .Secondly, since (1) the existing physical layer based message authentication protocols cannot be efficiently implementable in practice as both of them are based on random coding techniques; (2) LDPC Codes and Polar Codes are have been accepted by 5G standard for data channel and control channel, respectively. In this project, an LDPC code based multi-message authentication scheme with high efficiency and perfect security will be presented for different wiretap channel models by leveraging a novel and lightweight ϵ -almost-universal hash function family and the dual of large girth LDPC codes. Moreover, a Polar code based multi-message authentication scheme with high efficiency and perfect security will be presented with strong secure Polar codes for different wiretap channel models..Thirdly, the experimental results with Matlab and USRP will be provided to demonstrate if the proposed schemes can achieve high authentication rate with low time latency. Moreover, the project also proposes new application solutions for physical message authentication between wireless terminal device by designing the corresponding physical hardware.

为了满足5G应用场景对高安全性消息认证协议的迫切需求，本课题以物理层安全技术为线索，探索可达无条件安全的基于信道预编码的高效物理层多消息认证理论与关键技术。首先，针对现有基于信道预编码认证缺乏适用的认证模型的问题，建立一个新的基于信道预编码的认证模型，并探索该模型下一个认证协议可达无条件安全的充分必要条件。其次，针对现有基于信道预编码的认证大多依赖于无法实现的随机编码方案，且LDPC码和Polar码被分别遴选为5G的长码和短码编码标准，拟在多种窃听信道模型下，利用Large-girth-LDPC码和Polar的编码思想分别设计出低编码和解码复杂度的强安全LDPC码和强安全Polar码编码方案，并结合轻量级的一致均匀哈希函数类设计出多种窃听信道模型下出高效的、高安全性的物理层认证协议。最后，拟利用Matlab仿真和USRP平台验证上述协议的性能，并拟设计相应的物理硬件来实现上述协议。

为了满足5G应用场景对高安全性消息认证协议的迫切需求，本课题探索5G通信场景下物理层安全理论与关键技术及其在不同5G场景中的应用，并取得以下研究成果：1.通用物理层消息认证模型下的认证信道容量：针对现有基于信道预编码认证缺乏适用的认证模型的问题，建立了一个新的基于信道预编码的认证模型，并给出该认证模型下的认证信道容量，构建认证信道容量可达的认证协议；2. 基于安全Polar码的物理层消息认证协议：针对现有基于信道预编码的认证大多依赖于无法实现的随机编码方案，且Polar码被分别遴选为5G短码编码标准，在窃听信道模型下，利用Polar的编码思想设计出低编码和解码复杂度的强安全Polar码编码方案，并结合轻量级的一致均匀哈希函数类设计出多种窃听信道模型下出高效的、高安全性的物理层认证协议。3. 基于安全Polar码的D2D安全通信系统：针对5G场景中的D2D通信缺乏可用的轻量级解决方案，利用安全Polar码和自干扰技术，提出了一种基于音频信道的物理层安全D2D传输方案，以达到高效率、高安全性的目的。4. 基于物理硬件的边信道攻击方法：针对工业物联网智能设备内置大量传感器，工业物联网系统容易受到侧通道攻击的问题，提出了一种基于机器学习的侧面通道的新型口令破解系统，利用工业物联网触摸屏智能设备的加速度计、陀螺仪和磁力计来识别受害者的口令。5. 一体化网络中隐私保护的可追溯细粒度数据传输系统： 针对一体化网络数据传输面临的安全和隐私挑战，设计了一个隐私保护的可追溯细粒度数据传输系统，用于天地一体化网络中的安全数据传输。所提议的解决方案能够同时支持安全的细粒度数据传递，实现保护隐私的数据检索和高效的加密和解密操作，以及恶意密钥委托的跟踪。6. 5G驱动医联网中基于深度学习的医学图像加减密方案：为了实现物理层认证方案在5G驱动医联网中的应用，针对现有的图像加/解密方案效率低的问题，课题组提出了适用于医联网的基于使用循环生成对抗网络的加密解密网络，实现高效的图像加解密。

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