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        無(wú)線通信物理層安全技術(shù)

        2017-01-14 03:26:00
        環(huán)球市場(chǎng) 2016年23期
        關(guān)鍵詞:物理層衛(wèi)星通信波束

        馬 波

        廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司(東莞)第一分公司

        無(wú)線通信物理層安全技術(shù)

        馬 波

        廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司(東莞)第一分公司

        作為重要的無(wú)線通信方式之一,衛(wèi)星通信以其可實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫覆蓋、組網(wǎng)靈活、廣播應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯、資源共享等諸多優(yōu)勢(shì),日益受到人們的青睞。隨著無(wú)線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展,衛(wèi)星通信被廣泛應(yīng)用在民用及軍用領(lǐng)域,可提供寬帶多媒體、衛(wèi)星廣播、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)。然而,衛(wèi)星通信的大范圍廣播特性也使通信信號(hào)更易被非法用戶竊取。隨著物理層安全技術(shù)的發(fā)展,衛(wèi)星通信物理層安全研究有望解決廣播過(guò)程中的信息截獲問(wèn)題,從而進(jìn)一步增強(qiáng)通信安全。本文將綜述幾種常見(jiàn)的物理層安全方法,并對(duì)衛(wèi)星通信物理層安全研究進(jìn)行概述和展望。

        無(wú)線通信;物理層安全;衛(wèi)星通信;安全編碼

        1 、物理層安全方法

        當(dāng)前,物理層安全技術(shù)研究主要從信息論、傳輸優(yōu)化及功率資源分配等方面開(kāi)展。前者主要研究系統(tǒng)的保密容量理論;后者則主要研究人工噪聲、波束成型、安全編碼及其他利用信道特性的物理層安全技術(shù)。

        1.1 人工噪聲

        人工噪聲 AN(Artificial Noise)能有效增強(qiáng)系統(tǒng)安全性,在對(duì)竊聽(tīng)者造成極大干擾的同時(shí),保證合法接收者的正常通信。在發(fā)射端添加適當(dāng)?shù)娜斯ぴ肼?,以犧牲部分發(fā)射功率為代價(jià),可人為增大竊聽(tīng)者與合法接收者之間的信道質(zhì)量差距。因此,即便合法接收者的信道噪聲強(qiáng)于竊聽(tīng)者,安全傳輸仍可能實(shí)現(xiàn)。

        1.2 波束成型

        波束成型是使一個(gè)數(shù)據(jù)流在多個(gè)天線上以秩為1 傳輸,而預(yù)編碼是在多個(gè)天線上同時(shí)對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)流進(jìn)行多秩傳輸,因而可認(rèn)為波束成型是預(yù)編碼的特例,在設(shè)計(jì)上更加簡(jiǎn)單和直觀。為實(shí)現(xiàn)物理層安全,通常的方法是設(shè)計(jì)有效的信道,以增大 Bob 與竊聽(tīng)者 Eve 間的信號(hào)質(zhì)量差異。若充分利用波束成型,則能得到 Alice 與 Bob之間的最大保密速率。

        1.3 協(xié)作干擾

        由于發(fā)射端的發(fā)射功率有限,而現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的無(wú)線通信系統(tǒng)大部分是長(zhǎng)距離的,因此往往需要采用協(xié)作通信技術(shù)。協(xié)作通信的核心思想是,Alice 先將信號(hào)發(fā)給中繼站,再由中繼站發(fā)往 Bob。 專家討論了不同中繼模式下的安全速率差異。通過(guò)發(fā)送人為干擾,降低竊聽(tīng)端的接收信噪比,提升系統(tǒng)的安全性。

        協(xié)作干擾技術(shù)中常用的干擾信號(hào)有三類:高斯白噪聲、其他信源的發(fā)送信號(hào)以及合法接收端已知的信號(hào)。高斯白噪聲雖然易于產(chǎn)生及實(shí)現(xiàn),但在干擾竊聽(tīng)者的同時(shí),也會(huì)影響合法接收者的接收性能,因而對(duì)系統(tǒng)安全容量的提升作用不大。若利用其他信源的發(fā)射信號(hào),雖然能節(jié)省大量的發(fā)射功率,但實(shí)現(xiàn)過(guò)程較為復(fù)雜,且可能對(duì)其他信道產(chǎn)生依賴,因此安全穩(wěn)定性較差。但接收端也需要采用消除信號(hào)的合理方法,因而也具有一定的復(fù)雜度。

        1.4 差異化信道估計(jì)

        在信道估計(jì)階段,通過(guò)限制竊聽(tīng)端對(duì) CSI 的估計(jì)性能,可以降低在數(shù)據(jù)傳輸階段竊聽(tīng)端的有效信噪比 SNR,弱化其對(duì)信息的破譯能力。該思想主要通過(guò)差異化信道估計(jì) DCE(discriminatory channel estimation)方案實(shí)現(xiàn)。具體做法:將 AN 插入訓(xùn)練信號(hào),惡化竊聽(tīng)端對(duì) CSI 的估計(jì)性能,其中 AN 需要盡可能安插在Alice 到 Bob 信道的零空間內(nèi)。為此,Alice 必須首先獲得該信道的先驗(yàn)信息。此方案的難點(diǎn)在于如何使 Alice 獲得足夠的信道先驗(yàn)信息,盡量避免對(duì)竊聽(tīng)者有利的情況。當(dāng)前,針對(duì) DCE 的研究方案主要有兩種:一是反饋與再訓(xùn)練 DCE 方案;二是雙向訓(xùn)練方案[14-15]。圖 1 為 DCE 方案中人工噪聲輔助訓(xùn)練示意圖。

        圖1 DCE 方案中人工噪聲輔助訓(xùn)練示意

        1.5 網(wǎng)絡(luò)編碼

        一般地,將可實(shí)現(xiàn)保密容量的信道編碼稱為安全編碼。許多信道編碼如極化碼、格型編碼等,經(jīng)過(guò)一些適應(yīng)性的改變,能夠逼近保密容量的極限。其中,應(yīng)用最多的是低密度奇偶校驗(yàn) LDPC(Low Density Parity Check)碼。LDPC 碼實(shí)質(zhì)上是一種線性分組碼。它最大的亮點(diǎn)在于其接近 Shannon 極限的誤碼性能。根據(jù)校驗(yàn)矩陣的特征,LDPC 碼又可分為準(zhǔn)循環(huán)移位LDPC(QC-LDPC)碼、重復(fù)累積碼、規(guī)則碼以及非規(guī)則碼,其中又以 QC-LDPC 碼最為引人關(guān)注。QC-LDPC碼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可基于相同碼長(zhǎng)、度分布構(gòu)造大量不同QC-LDPC 碼,增加系統(tǒng)的安全性;對(duì)編 /譯碼的電路結(jié)構(gòu)要求簡(jiǎn)單,支持高速加 /解密,密鑰開(kāi)銷小。因此,將 QC-LDPC 碼應(yīng)用于 Mc Eliece 公鑰體制,可得到較高的信息速率,并將加 / 解密復(fù)雜度和密鑰開(kāi)銷控制在較低程度。當(dāng)前的相關(guān)研究方向主要有兩個(gè):基于 LDPC 碼加密方案的設(shè)計(jì);針對(duì)保密方案安全性進(jìn)行密碼分析及攻擊方法研究。

        2 、衛(wèi)星通信物理層安全

        衛(wèi)星通信物理層安全研究是基于地面無(wú)線通信物理層安全研究的成果,并結(jié)合衛(wèi)星通信的特點(diǎn),形成的適用于衛(wèi)星通信的物理層安全技術(shù)理論。當(dāng)前,衛(wèi)星通信仍主要采用上層密碼技術(shù)以增強(qiáng)通信安全性,因而也具有傳統(tǒng)加密機(jī)制的缺點(diǎn)。若竊聽(tīng)端的計(jì)算能力足夠強(qiáng)大,則仍然無(wú)法保證信息的保密性。功率負(fù)擔(dān),從而在一定程度上影響衛(wèi)星通信的效率。雖然面向衛(wèi)星通信系統(tǒng)的物理層安全技術(shù)正在蓬勃發(fā)展,但其仍面臨著相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

        結(jié)術(shù)語(yǔ)

        作為重要的無(wú)線通信方式之一,衛(wèi)星通信以其可實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫覆蓋、組網(wǎng)靈活、廣播應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯、資源共享等諸多優(yōu)勢(shì),日益受到人們的青睞。隨著無(wú)線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展,衛(wèi)星通信被廣泛應(yīng)用在民用及軍用領(lǐng)域,可提供寬帶多媒體、衛(wèi)星廣播、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)。然而,衛(wèi)星通信的大范圍廣播特性也使通信信號(hào)更易被非法用戶竊取。隨著物理層安全技術(shù)的發(fā)展,衛(wèi)星通信物理層安全研究有望解決廣播過(guò)程中的信息截獲問(wèn)題,從而進(jìn)一步增強(qiáng)通信安全。

        [1]劉在爽,王堅(jiān),孫瑞等.無(wú)線通信物理層安全技術(shù)綜述[J].通信技術(shù),2014,47(02):128-135.

        [2]張應(yīng)憲,劉愛(ài)軍,王永剛等.衛(wèi)星通信物理層安全技術(shù)研究展望[J].電訊技術(shù),2013,53(03):363-370.

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