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基于混沌的5G物理层加密方法研究

赵晓辉  
【摘要】:混沌系统具有的类噪声、宽频谱、初值敏感、脉冲自相关、非周期等特点,使其被广泛应用于各个领域,应用于通信和信息加密是其中两个重要方向。近几年来,混沌与无线通信物理层调制方法结合获得抗多径性能引起了关注,同时,具有无穷维密钥空间的延迟超混沌系统的加密应用也展示了独特的性能。5G通信已经成为人们日常通信手段,5G更适合的场景为工业物联网,而工业物联网环境中密集的终端集合、复杂的信道环境要求通信方法在大容量、低时延的同时具有更好的安全性。如何将混沌与5G物理层调制和加密相结合,提升工业物联网的性能和安全性具有重要的理论意义和应用价值。正交频分多址(OFDMA,Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access)技术是5G物理层多址接入的一个重要方法,本文首先将混沌成型滤波器与正交频分复用技术相结合,提出了一种多址接入下的混沌扩频通信。其次,提出了一种基于延迟Chen系统的物理层加密方案,分析了其性能。具体研究工作与结论如下:1)提出了基于混沌成型滤波器和Hadamard索引的多用户ODM-DCSK方案。该通信系统允许在不增加带宽使用的情况下进行多用户访问,每个用户被分配C个私有子载波传输其参考信号,Hadamard矩阵行元素通过混沌成型滤波器生成混沌参考信号,用户信息信号可以共享Nm个子载波。接收端使用相应的匹配滤波器可以在区分用户时能够获得最大信噪比点和更低的多址干扰。采用最大似然估计方法对混沌参考信号进行估计与映射,其与最大信噪比点采样操作构成双重降噪机制,极大地降低了噪声的影响,提高了系统误码率性能。所提方案在高斯信道下BER性能不会随着用户数量的增加而恶化。分析了所提方案的能量效率和高斯信道与多径衰落信道下的BER解析解,理论分析表明了所提方案的优势。最后,通过对比仿真与实验验证所提方案的可行性与优越性。新的物理层调制方法为进一步提升物理层安全性能创造了良好条件。2)针对工业物联网无线通信安全问题,提出了基于延迟Chen系统的物理层信息加密方案。延迟Chen系统具有理论无限维的相空间、多个正的Lyapunov指数以及能够产生高复杂度的混沌序列等优点,将其与加密方案相结合能提升保密性能。本方案分为基于混沌的动态Hash密钥函数构建、标记扩散以及基于延迟Chen系统S-box的信息混淆操作三个部分,应用各自特点逐级提升密文的安全性。首先,将前导码和合法用户之间信道信息变换作为Hash输入,后者在每一次会话时更新获得了具有良好随机特性的动态密钥值。其次,用Hash输出对明文信息进行标记扩散操作,使得明文、密文和密钥之间相互影响更加复杂,有效抵抗明文选择性攻击等恶意攻击。延迟Chen系统构造的S-box在非线性和雪崩特性上具有明显优势,应用其对密文进行混淆得到更好的加密效果。通过对比仿真分析验证了所提加密方案所具有的先进性与安全性。


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