无线通信与安全

本书为读者提供了面向新一代无线通信的基础理论、网络架构、关键技术与无线安全理论方法，帮助相关专业本科生、研究生理解新型无线通信系统及其安全策略的设计和实践。面向日新月异的5G技术和更加长远的未来无线通信技术发展，安全技术的重要性也与日俱增，无线安全是未来智能、复杂、高效网络构建的重要基石。这本融合著者在无线通信安全领域长期研究成果、兼具理论分析、前沿技术与实践案例的著作，可以作为通信工程师和科研人员的一部良好参考书。

 

本书牢牢把握无线通信的**技术发展趋势，针对无线通信与安全的核心技术难点，基于经典数字通信系统理论和新一代移动通信、无线安全理论，从无线通信传输技术、抗干扰技术、抗衰落技术、多址接入技术、蜂窝技术、无线网络安全技术、机器学习等多方面，全面介绍无线通信与安全的基础理论与关键技术，为通信工程与网络空间安全相关专业与本科生课程及相关科研工程技术人员提供教材和参考。

刘思聪：厦门大学信息学院助理教授。2012年、2017年分别获得清华大学电子工程系学士学位和博士学位，评为清华大学优秀博士毕业生、清华大学优秀博士学位论文、北京市优秀毕业生。主要研究领域为无线通信、干扰抑制、压缩感知、机器学习。已出版学术专著1部，发表40余篇学术论文，获中国电子学会自然科学二等奖1项，授权国家发明专利8项，起草通信国家标准1项，主持国家自然科学基金等多项科研项目。曾任华为技术有限公司网络技术研究部高级研究工程师。
肖亮：厦门大学信息科学与技术学院教授，博士生导师，IEEE高级会员，IEEE ComSoc 大数据技术委员会委员，中国电子学会高级会员，中国计算机学会高级会员，网络与数据通信专委会委员，中国通信学会青年工作委员会委员。从事网络安全，大数据和机器学习等方向的研究。获教育部留学回国人员科研启动基金，入选福建省高等学校新世纪优秀人才支持计划。主持和参与了多项国家自然科学基金和福建省自然科学基金研究项目，参与863项目。出版4部英文学术专著/章节，获得ICC等5个国际会议论文奖, 中国通信学会青年科技奖，福建省自然科学奖和吴文俊人工智能自然科学奖。担任IEEE Trans. Information Forensics & Security 和 IEEE Trans. on Communications等多个国际SCI期刊编委。IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing 等期刊客座编辑。美国Rutgers（新泽西州立）大学电子与计算机工程系博士，清华大学电子系硕士，南京邮电学院通信工程系学士。作为访问学者，曾在普林斯顿大学，弗吉尼亚理工和马里兰大学进行研究。曾任美国Rutgers大学无线信息网络实验室(WINLAB)助研，美国InterDigital公司和贝尔实验室实习研究员，美国北卡州立大学ECE系助教，清华大学微波与数字通信国家重点实验室助研。

第1章绪论

1.1无线通信系统概述

1.1.1无线通信系统的组成

1.1.2无线通信基本概念与关键技术

1.1.3无线频谱

1.2无线通信的发展和标准化

1.2.1无线通信技术的发展

1.2.2移动通信标准化进程

1.3无线攻击威胁与安全技术概述

1.3.1无线通信中的攻击与威胁

1.3.2无线通信安全的关键技术

习题

参考文献

第2章无线信道

2.1自由空间信号传播 

2.1.1电磁波的传播特性 

2.1.2传输损伤 

2.2大尺度传播特性

2.2.1路径损耗 

2.2.2射线追踪模型 

2.2.3遮挡效应 

2.3无线信道模型

2.3.1输入输出信道模型 

2.3.2统计信道模型 

2.4信道相干性

2.4.1多普勒拓展与相干时间 

2.4.2多径衰落与相干带宽 

2.5无线时变信道

2.5.1时变信道的确定性表征 

2.5.2广义平稳非相干散射模型 

2.5.3基扩张信道模型 

习题

参考文献

 

 

 

第3章无线传输技术

3.1基带传输技术

3.1.1数字信息的基带传输 

3.1.2奈奎斯特准则 

3.1.3频带利用率 

3.1.4误符号率 

3.1.5多进制传输 

3.1.6信号检测与接收 

3.2数字信号的载波传输 

3.2.1二进制数字调制 

3.2.2多进制数字调制 

3.2.3相干检测与非相干检测 

3.3多载波传输

3.3.1单载波与多载波传输 

3.3.2正交频分复用

3.3.3接收机同步 

习题

参考文献

第4章抗衰落与多天线技术

4.1分集和合并

4.1.1分集的效用和分集技术

4.1.2分集合并方法

4.2信道估计

4.2.1导频结构

4.2.2基于训练序列的信道估计

4.2.3基于DFT的信道估计

4.2.4时变信道估计

4.3均衡 

4.4编码与交织

4.4.1差错控制编码 

4.4.2交织与复合编码

4.5多天线技术

4.5.1MIMO信道模型

4.5.2多天线分集

4.5.3多天线复用

4.5.4预编码与波束成形

习题

参考文献

第5章多址接入和无线网络

5.1无冲突多址接入

5.1.1频分多址

5.1.2时分多址

5.1.3码分多址

5.1.4正交频分多址

5.1.5空分多址

5.2随机接入

5.2.1ALOHA接入

5.2.2载波侦听多址接入

5.3无线组网技术

5.3.1无线自组织网

5.3.2中继

5.3.3双工技术

5.4新型无线网络 

5.4.1SDN与NFV

5.4.2网络切片

5.4.3超密集组网

5.4.4D2D通信网络

5.4.5车联网

习题

参考文献

第6章现代无线通信系统

6.1蜂窝技术与系统

6.1.1蜂窝网络架构

6.1.2频率复用技术

6.1.3干扰与功率控制

6.1.4资源分配

6.2移动通信系统与标准演进 

6.2.12G系统

6.2.23G系统

6.2.34G系统

6.2.45G NR系统

6.3物联网系统

6.3.1NBIoT技术

6.3.2大规模机器类通信和LTEM

6.3.3LoRa低功耗广域网

6.4短距离无线通信系统

6.4.1蓝牙

6.4.2射频识别

6.4.3低速无线个域网与ZigBee技术

6.4.4UWB超宽带通信

6.5无线局域网系统

6.5.1无线局域网架构概述

6.5.2IEEE 802.11系列标准技术

6.6无线传感网系统

6.6.1传感器节点与网络架构

6.6.2应用场景

习题

参考文献

第7章无线干扰对抗技术

7.1无线干扰类型与危害

7.2抗干扰博弈理论

7.2.1抗干扰博弈的基本定义

7.2.2抗干扰博弈的分类

7.3无线广播抗干扰技术

7.4无线抗干扰传输技术

7.5无线抗干扰中继技术 

习题

参考文献

第8章隐私保护技术

8.1无线传输的隐私保护

8.1.1反窃听方法

8.1.2中间人攻击的对抗方法

8.2基于加密的隐私保护技术

8.2.1基于同态加密的隐私保护

8.2.2基于属性加密的隐私保护

8.3基于友好干扰的隐私保护

8.4物联网隐私保护

8.4.1物联网环境下的隐私威胁

8.4.2物联网隐私保护研究方法与技术

8.5车联网位置隐私保护

8.5.1位置隐私保护技术

8.5.2基于差分隐私的位置扰动方案

8.5.3基于强化学习的车联网语义位置隐私保护算法

习题

参考文献

第9章无线认证技术

9.1电子欺骗与Sybil攻击

9.2基于密钥的认证技术

9.3物理层认证技术

9.4基于机器学习的无线认证技术

9.4.1传统无线认证存在的问题

9.4.2基于机器学习的无线认证研究现状

9.4.3基于机器学习的前沿无线认证技术

习题

参考文献

第10章未来无线安全技术前沿

10.1基于人工智能的无线安全技术

10.1.1基于机器学习的无线安全技术

10.1.2基于强化学习的无线安全技术

10.2基于区块链的无线安全技术

10.2.1基于区块链的物联网技术

10.2.2基于区块链的移动边缘计算技术

10.2.3基于区块链的车联网技术

10.2.4基于区块链的智能电网技术

10.3车联网通信安全技术

10.4可见光通信安全技术

10.4.1可见光通信安全威胁

10.4.2可见光通信隐私保护技术

10.4.3基于强化学习的可见光通信安全技术

10.5无人机通信安全技术

习题

参考文献

白驹过隙之间，人类已经步入了5G时代。2020年被称为“5G商用元年”，包括我国在内的全球众多国家纷纷开始部署5G网络。无线通信技术近年来得到了突飞猛进的发展，保持着每十年进行一次技术革新的态势。在这一进程中，我国也实现了从3G以前的跟跑到5G的引领国际技术前沿这一角色转换。但是，伴随着无线通信技术的革新，也带来了全新的、更加尖锐的、智能化的无线安全漏洞和威胁。各种新型无线攻击模式层出不穷，对无线通信系统和网络提出了严峻挑战。
“没有网络安全就没有国家安全”，这句话深刻揭示了通信与网络安全对于我国安全与发展利益的重要性。无线安全技术，特别是无线物理层安全技术对保障无线通信系统与网络的安全性具有基础性的支撑作用。因此，必须加强对无线认证、隐私保护、无线智能抗干扰、智能博弈等无线安全理论技术与工程应用的研究。
为了紧跟技术前沿，保持无线通信与安全相关专业课程教学内容的先进性，同时为了让读者了解的无线通信与安全领域新理论、新方法和新技术，本书编者在长期从事无线通信与安全领域教学和科研工作的基础上进行系统总结，编写了这本教材。本书内容覆盖经典信息论和通信与信号处理框架，同时着重在近年新兴的5G、机器学习等技术框架下，介绍面向新一代无线通信系统的通信技术与安全技术，具有基础性和前沿性兼备的特点。本书介绍的无线通信与安全理论与技术具有良好理论意义与实用价值，总结了新一代无线通信中的基本理论和核心技术，以及解决重要瓶颈问题的有效技术方案。其中，无线通信安全的相关技术内容还总结了作者诸多的研究成果，如无线智能博弈与干扰对抗、无线智能认证、基于强化学习的无线隐私保护等前沿技术。
本书定位为通信工程与网络安全方向的本科生或研究生专业课程教材，同时面向电子信息工程科技类的普通读者，尽可能删减过多繁杂抽象的公式和推导，着力突显基本概念和关键技术。读者在阅读学习时，除需要具备基本的数学知识和简单的信号与系统基础知识以外，无须预修其他课程。本书不仅可以作为通信工程、网络空间安全等专业的本科生、研究生专业教材，为读者提供翔实的基础知识内容，扩展前沿视野，也能为无线通信与安全等领域的科研工作者的进一步研究提供一定理论基础和技术储备。
本书共10章，内容涵盖了无线通信与安全理论、方法与技术的各个主要方面，主要包括无线信道、无线传输技术、抗衰落技术、多址接入技术、蜂窝技术、无线组网、无线抗干扰、无线认证、隐私保护等，并且介绍了许多典型实际的应用案例。此外，本书还介绍了基于机器学习、博弈论、区块链等新兴理论的无线安全方法与技术。希望能够从理论到实践，帮助读者掌握无线通信与安全领域的基础知识和基本方法，了解5G无线通信与安全技术前沿，助力培养本专业学生在电子信息与网络安全领域的理论基础和工程素养。
特别感谢清华大学出版社赵凯编辑的大力支持，她认真细致的工作保证了本书的质量。感谢黄潇、高龙杰、卫天阔、卢晓珍、肖奕霖、丁钰真和张海璐对本书撰写工作做出的巨大贡献，他们在资料整理、文字编排和图表制作等方面付出了大量时间和精力。如果没有他们的全心投入，本书很难顺利完成。感谢厦门大学信息学院在本书写作过程中提供的资源和支持。感谢国家自然科学基金委员会61901403和61971366等项目对本书编者在无线通信与安全领域研究的资助和支持。
由于编者水平有限，书中难免有疏漏和不足之处，恳请读者批评指正！
编者
2021年6月