无线网络物理层认证博弈理论研究

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在无线网络中,电子欺骗攻击者篡改其身份标识信息,实施基于身份的攻击,获取非法收益,还可以进一步实施拒绝服务攻击等,严重威胁无线网络。为此,物理层认证技术利用无线通信设备、信号或信道的独特物理层属性,以较少的开销实现对无线发射机的认证,可作为传统的基于数字签名等的上层认证技术的补充。论文采用博弈理论研究无线网络的物理层认证技术,分析电子欺骗攻击者和采用物理层认证技术的接收机之间的行为交互,旨在提高无线网络抵御电子欺骗的能力。  首先,论文研究了采用信道信息进行物理层认证的接收机和电子欺骗攻击者之间的博弈,建立物理层认证零和博弈模型。其中,接收机调整其物理层认证方案中的阈值,旨在降低其基于电子欺骗检测的贝叶斯风险,而攻击者则调整其发送仿冒信息的频率。在此基础上,推导出了基于信道频率响应的物理层认证静态博弈的纳什均衡,揭示了最优阈值和最优攻击概率是由相对信道增益变化量和电子欺骗攻击者与合法发送者之间的信道增益比率决定。  在此基础上,论文将基于信道信息的物理层认证技术研究拓展到多输入多输出(Multiple-input multiple-output, MIMO)系统,构建MIMO系统的物理层认证博弈模型,并推导出其纳什均衡及其存在条件。仿真结果表明,基于信道信息的物理层认证技术在电子欺骗检测时,其虚警概率和漏报概率随着天线个数的增加而降低,而接收机的效益随之升高。针对MIMO物理层认证动态博弈,论文提出了一种基于强化学习的电子欺骗检测方案,并在通用软件无线电平台上实现。其中,接收机通过对系统参数的多次学习获得其最优检验阈值。室内实验结果表明,当接收天线个数和发送天线个数均为5时,该方案的虚警概率约0.1%,漏报概率约1.3%。
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