基于无线信道特征的密钥生成与跨层安全增强技术研究

The openness of wireless communication link enables wireless networks face more serious security challenges. Traditional way based on high-level encryption and authentication can not be fully applicable to the wireless networks. Physical layer security technology using wireless channel characteristics is a new approach to solve the wireless network security problem. Based on the wide range of wireless network security applications as the basic background, the intrinsic relation between radio channel characteristics and security as the breakthrough point, the improvement of wireless network security as the basic goal, this project focuses on the secret key generation and cross-layer security enhancement technologies based on wireless channel characteristics, thus to provide new theories and methods for wireless networks secure communication. Research contents are followings: 1) new wireless channel characteristic extraction methods, secret key generation and negotiation error-correction arithmetic, and experiment verification, evaluation and analysis of new methods; 2) new authentication methods based on wireless channel characteristic, new anti-interference communication methods, and their better integration with existing system unity; 3) completion of the secret key extraction and security enhancements testing system design and implementation. It is expected that we will achieve breakthroughs in terms of the theory and practice in the above aspects, and provide a class of new ideas and new methods for wireless network security, which will play a positive role in those research fields.

无线通信链路的开放性使无线网络面临更严峻的安全挑战。传统基于高层加密和认证的方式不能完全适用于无线网络。利用无线信道特性的物理层安全技术是解决无线网络安全问题的新思路。本项目以无线网络广泛的安全应用需求为基本背景，以无线信道基本特性与安全性的内在联系为切入点，以提高无线网络安全为基本目标，研究基于无线信道特征的密钥生成技术与跨层安全增强技术，从而为无线网络的安全通信提供新的理论和方法。内容包括：1）研究新的无线信道特征提取方法、密钥生成与协商纠错算法，并通过实验对新方法进行验证、评估与分析；2）以增强无线网络安全为目标，研究新的基于无线信道特征的认证方法、抗干扰方法以及通信方法，并较好地将其与现有系统融合统一；3）完成密钥提取与安全增强测试系统的设计与实现。预期在上述方面取得理论与实践的突破，为无线网络安全提供一类新思路和新方法，对该研究领域起到积极的推动作用。

无线通信链路的开放性使无线网络面临更严峻的安全挑战。传统基于高层加密和认证的方式不能完全适用于无线网络。利用无线信道特性的物理层安全技术是解决无线网络安全问题的新思路。本项目主要对基于无线信道特征的密钥生成技术与安全增强技术进行了研究，主要研究成果包括：1）研究了基于无线信道特征的密钥生成技术，详细仿真分析了密钥协商过程中的优先提取协议、信息协调协议与保密增强协议三种协议及其相互间的制约关系；分析出如何选取各阶段的参数以最大化密钥协商的总信息率；分析出得到满足长度要求的密钥所需的初始数据串长度，并进行了仿真分析和验证；2）利用高效率的纠错码理论，设计出一种新的实时性较好、效率比较高的信息协调协议；3）研究了在不安全且非认证信道上进行认证的新理论，设计出不安全且非认证信道上抗主动攻击的保密增强方案；4）结合预处理的思想，提出了一种减少密钥生成初始误码率的预处理方法；5）提出了一种新的高密钥生成率和低误码率的量化方案； 6）提出了一种新的适用于移动通信环境下的物理层安全增强认证方案；7）提出了一种对现有系统进行安全增强的抗Jamming攻击的信道跳频方案； 8）完成密钥提取与安全增强测试系统的设计与实现。本项目的研究成果可为未来无线网络安全通信系统的设计提供新的理论依据、方法和技术支持，将会极大地提高无线通信的安全性，对该研究领域起到积极的推动作用。