论文题目：移动通信网络中抗密钥泄露的安全编码技术研究
摘要：随着5G移动通信技术在全球范围内的广泛应用以及大规模物联网技术的迅猛发展,数以亿计的无线设备接入了移动通信网络,移动用户的通信安全面临各种各样的新型挑战。安全通信依赖于安全编码方法,但随着现代计算机的算力越来越强,传统安全编码算法面临被攻破的风险。并且,这些编码算法的有效性都依赖于密钥的私密性,因而大都面临密钥泄露问题。因此,本文研究了如何在移动通信场景下安全传输用户信息的问题,提出了一种基于上下文的安全编码框架,并分别以通信历史消息和信道状态信息作为上下文构建原料,给出了两种具体实现。当前的安全通信方案中,通信和安全仍然相互割裂,只是将加密方案简单地叠加到传输过程上,并且大都基于计算复杂度难题,可能会被未来的强算力计算机破解。本文提出的安全编码框架中,通信双方共同维护一个动态的上下文,将用户消息的编解码过程和通信上下文绑定起来。窃听者要破解明文就必须掌握完整上下文,存在持续监听信道并存储海量信息的挑战,从而,通过引入信息完整性难题而非计算复杂度难题来提高通信系统的安全性。一方面,所提方案具有接近“一次一密”的加密效果,另一方面,上下文的持续变化又进一步增强了密钥的随机性,所以该方案可以有效抵抗密钥泄露问题。对于不同的使用场景,也可以灵活选择上下文的构建方式,得到不同的安全编码方案。任意信源和信宿共知而第三方难以获取的信息,都可以用于构建上下文。本文以用户消息作为上下文的构建原料,提出一种基于通信历史消息的上下文安全编码方案,随后分别基于AES（Advanced Encryption Standard）编码函数和伪随机序列生成器实现了两种维护动态上下文的更新函数,并从理论角度对此方案的安全特性进行了证明。基于Python实现该方案后进行了仿真验证,结果表明,在此方案下用户编解码过程产生的密文和密钥都具有良好的统计特性,保证了方案的有效性。另外,对于5G中大规模多输入多输出（Massive Multiple Input Multiple Output,Massive MIMO）场景下的时分双工（Time Division Duplex,TDD）通信模式,利用其互易信道特征提出一种基于信道状态信息的上下文安全编码方案,结合了TDD模式给无线信道带来的互易性、随机时变性和空间唯一性以及上下文安全编码框架提供的信息完整性难题,提高通信系统的安全性。仿真结果表明,该方案下生成的密文和密钥也具有良好的统计特性,可以有效保护用户通信过程。
关键词：移动通信;安全编码;上下文;密钥泄露
学科专业：信息与通信工程
摘要
abstract
缩略词表
第一章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 当前主流应用加密算法
1.2.2 密码学领域前沿研究
1.3 论文研究内容及章节安排
1.3.1 本文研究内容
1.3.2 本文组织结构
第二章 基础理论简介
2.1 引言
2.2 基本安全编码算法
2.2.1 AES算法
2.2.2 RSA算法
2.3 相关基础知识
2.3.1 常见攻击模型
2.3.2 伪随机数生成器
2.3.3 蒙特卡罗方法
2.3.4 随机性测试套件
2.3.5 皮尔逊相关系数
2.4 本章小结
第三章 基于上下文的安全编码框架研究
3.1 引言
3.2 安全通信系统中的上下文信息
3.3 基于上下文的安全编码框架
3.3.1 基于上下文的安全编码框架概述
3.3.2 基于上下文的安全编码框架原理
3.3.3 基于上下文的安全编码框架要求
3.4 框架安全性能分析
3.4.1 接近“一次一密”的加密效果
3.4.2 和其他加密方案的对比
3.5 本章小结
第四章 基于通信历史消息的上下文安全编码实现
4.1 引言
4.2 基于通信历史消息的上下文安全编码方案设计
4.2.1 通信交互及编解码流程
4.2.2 安全性分析
4.3 基于AES增强的信宿锚更新函数
4.3.1 函数实现
4.3.2 安全性证明
4.3.3 伪随机序列生成器的作用
4.3.4 性能分析
4.4 基于伪随机序列生成器的信宿锚更新函数
4.4.1 函数实现
4.4.2 安全性证明
4.4.3 伪随机序列生成器的作用
4.4.4 性能分析
4.5 仿真及结果分析
4.5.1 加密解密效果
4.5.2 密文和密钥的统计分布特性
4.5.3 密文的随机性
4.5.4 明文和密文的统计相关性
4.5.5 平均采样率对性能的影响
4.6 本章小结
第五章 基于信道状态信息的上下文安全编码实现
5.1 引言
5.2 5G Massive MIMO中TDD模式下的信道互易性
5.2.1 TDD通信模式下的大规模MIMO
5.2.2 TDD的信道状态互易性
5.3 基于信道状态信息的上下文安全编码方案设计
5.3.1 场景描述
5.3.2 安全编码方案设计
5.3.3 安全性分析
5.4 信宿锚更新函数的两种具体实现
5.5 仿真及结果分析
5.5.1 加密解密效果
5.5.2 密文和密钥的统计分布特性
5.5.3 密文的随机性
5.5.4 明文和密文的统计相关性
5.5.5 平均采样率对性能的影响
5.6 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 全文总结
6.2 后续工作展望
致谢
参考文献