高宇鑫

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無線通信系統(tǒng)中物理層安全技術(shù)探討

高宇鑫

中興通訊股份有限公司，廣東 惠州 518000

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，通信設(shè)備逐漸呈現(xiàn)小型化、多樣化發(fā)展，在一定程度上提升了數(shù)據(jù)傳播速率。由于無線傳輸通道具備廣播特點(diǎn)，因此對通信保密有了更加嚴(yán)格的要求。最近幾年，在物理層安全技術(shù)中，主要采取了傳輸鏈路物理特點(diǎn)，在物理層編碼、調(diào)制以及傳輸方式的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了安全性通信，在各個(gè)學(xué)術(shù)界中受到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用。因此，主要論述了傳統(tǒng)安全傳輸技術(shù)和物理層安全技術(shù)存在的不同性，然后研究了物理層中的多天線分集技術(shù)、協(xié)作干擾技術(shù)以基于信道物理層安全技術(shù)，最后提出了物理層安全技術(shù)未來發(fā)展范圍。

無線通信系統(tǒng)；物理層安全技術(shù)；未來發(fā)展范圍

無線通信技術(shù)的出現(xiàn)，在一定程度上豐富了人們的生活水平，尤其是在通信應(yīng)用區(qū)域內(nèi)，極大地增強(qiáng)了通信水平和整體能力?？墒?，在無線通信信道中，由于受到固有廣播性、開放性以及傳輸鏈路不穩(wěn)定性等因素的影響，因此無線通信系統(tǒng)與傳統(tǒng)的有限通信系統(tǒng)相比較而言，更容易受到非法用戶的監(jiān)聽和偵察，從而引發(fā)傳輸數(shù)據(jù)流失等現(xiàn)象。最近幾年，出現(xiàn)的小米移動(dòng)云泄露等情況，都說明了信息安全在無線通信領(lǐng)域中起到的重要性。所以，設(shè)計(jì)安全、高效穩(wěn)定的無線通信系統(tǒng)在國家安全、商業(yè)機(jī)密等內(nèi)容中，占據(jù)十分重要的地位。創(chuàng)新安全通信，可以增強(qiáng)國際現(xiàn)代化水平，提升我國的競爭力。

1 無線通信系統(tǒng)中物理層安全技術(shù)發(fā)展背景

傳統(tǒng)的安全技術(shù)主要采取密鑰管理、身份確認(rèn)等方式，其安全機(jī)制建立在計(jì)算機(jī)密碼學(xué)方法的基礎(chǔ)上，在應(yīng)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上層協(xié)議的設(shè)計(jì)中增強(qiáng)信息的準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)安全技術(shù)一般依靠破解生成密鑰需要較高的計(jì)算復(fù)雜度來提高加密算法的有效性，但是在計(jì)算能力不斷提升和信息運(yùn)輸場景呈現(xiàn)多樣化的背景下，傳統(tǒng)密鑰體系面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。其中存在的不足主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

第一，隨著計(jì)算水平的不斷提高，尤其是量子計(jì)算的出現(xiàn)，以計(jì)算復(fù)雜度為基本理論基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的現(xiàn)代密碼學(xué)加密算法存在著很大的安全隱患。

第二，在無線網(wǎng)絡(luò)中，信息傳播的廣播特征和系統(tǒng)中終端設(shè)備的一種特征，使得密鑰在維護(hù)管理期間面臨著很大的復(fù)雜性。

第三，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)多樣化、異構(gòu)性發(fā)展方式，具備用戶之間交流以及用戶和基站之間交流頻繁性特點(diǎn)，所以傳統(tǒng)的加密方式的作用無法有效發(fā)揮出來。因此，尋找一種新型的安全運(yùn)輸技術(shù)來彌補(bǔ)傳統(tǒng)安全技術(shù)預(yù)留的不足，建立更加完善的密碼體制是首要的目標(biāo)。

現(xiàn)階段，隨著物理層安全技術(shù)的出現(xiàn)，它在一定程度上解決了無線通信安全問題，為其發(fā)展提供了新的發(fā)展方向。這一技術(shù)的主要思想是從信息論角度入手，并不是簡單地增加計(jì)算復(fù)雜度來確保網(wǎng)絡(luò)信息的安全性。物理層安全技術(shù)，一般是利用無線傳輸鏈路的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，依靠信號處理、編碼調(diào)制等物理層方法，在防止別人盜取信息的同時(shí)，為通信方提供更加安全可靠的通信。從中可以看出，物理層安全技術(shù)未來應(yīng)用前景開闊。

2 物理層安全技術(shù)

對于物理層安全技術(shù)的研究，主要從以下兩個(gè)方面進(jìn)行：第一，基于安全編碼的物理層安全；第二，基于信號處理的物理層安全。

物理層安全編碼可以實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)輸。它一般通過主竊信道自查，從信息理論角度入手，防止信息遭到竊聽，在提升質(zhì)量的同時(shí)，保證了信號的良好傳輸。另外，利用信號處理方式，可以不斷優(yōu)化無線通信系統(tǒng)的各項(xiàng)資源，增強(qiáng)主竊鏈路之間的差異性，從而為實(shí)現(xiàn)安全編碼奠定良好基礎(chǔ)。物理層安全技術(shù)包含協(xié)作干擾技術(shù)、多天線分集技術(shù)以及全雙工技術(shù)等。

2.1 協(xié)作干擾技術(shù)

協(xié)作干擾技術(shù)是實(shí)現(xiàn)物理層安全傳輸?shù)闹饕绞?，以合法終端正常通信不產(chǎn)生干擾的情況下，通過將人工噪音和干擾信號引進(jìn)傳輸通道的零空間中來干擾竊聽節(jié)點(diǎn)對信號的接受情況。人工噪音和干擾信號能夠在發(fā)送端和接收端中添加。在多人單出的無線通信系統(tǒng)內(nèi)，使用發(fā)電天線傳輸信息，以此提升傳輸?shù)陌踩?。在放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼系統(tǒng)內(nèi)，利用目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送干擾實(shí)現(xiàn)安全通信，并且通過優(yōu)化干擾功率分配來實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定傳遞胡。從以上論述可以看出，協(xié)作干擾技術(shù)起到了十分重要的作用，它在一定程度上能夠防止受到干擾，有效保證了傳輸質(zhì)量。

2.2 多天線分集技術(shù)

隨著無線多入多出技術(shù)的應(yīng)用，終端具備多根發(fā)送和接收天線，如圖1所示。多天線技術(shù)一般是利用空間自由度來實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)輸。發(fā)送端的多天線技術(shù)，包含最大比傳輸、空時(shí)編碼傳輸和發(fā)送天線選擇等多個(gè)方案。最大比傳輸技術(shù)是通過加權(quán)處理多根發(fā)射天線的系數(shù)來增強(qiáng)接收端的信號強(qiáng)度；空時(shí)編碼技術(shù)是利用發(fā)端多天線帶來的空間維度來增強(qiáng)信息的可靠性；發(fā)送天線選擇技術(shù)則是選擇最優(yōu)的發(fā)射天線，增加接收端的瞬時(shí)信噪比。在上述三種技術(shù)中，由于發(fā)送天線選擇僅僅需要單個(gè)射頻鏈路，其雜度低，所以應(yīng)用范圍廣。

圖1 發(fā)端和收端天線數(shù)目對系統(tǒng)安全傳輸頻率的示意圖

針對接收端的天線分級，由于每根天線全都收到信號的副本，因此可以使用多天線技術(shù)來提升終端接收能力，從而保證合法鏈路的傳輸質(zhì)量。

2.3 基于信道估計(jì)的物理層安全技術(shù)

上文論述的多天線技術(shù)和協(xié)作干擾技術(shù)，都是采取主竊鏈路信號的差異方式來實(shí)現(xiàn)安全管理，兩者可以在信號傳輸環(huán)節(jié)中起到重要的作用，而信號傳輸一般是對信道狀態(tài)信息進(jìn)行估計(jì)。從中可以看出，通過干擾用戶對信道狀態(tài)信息的估計(jì)能力，可以惡化竊聽用戶在數(shù)據(jù)傳輸階段的信息破譯能力。因此，差異化信道估計(jì)是實(shí)現(xiàn)物理層安全的主要方法。

在多人多處信道內(nèi)，專門設(shè)計(jì)了合法用戶和竊聽用戶之間差異性信道質(zhì)量的估計(jì)方案。這一方案合理地將人工噪音添加到訓(xùn)練信號的零空間中去，并且優(yōu)化合法用戶的信道估計(jì)性能，提升系統(tǒng)傳輸穩(wěn)定性。此方案存在的不足之處是信道估計(jì)期間需要多個(gè)階段的反饋訓(xùn)練。這樣一來，使得數(shù)據(jù)效率低下。對此，可以詳細(xì)改進(jìn)這一方法，制訂雙向訓(xùn)練的方案，利用目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送初始訓(xùn)練信號，竊聽用戶收到的信號，主要是合法用戶到竊聽用戶之間的信息，而不是基站到竊聽用戶之間的信息，以此防止竊聽端對初始訓(xùn)練階段的估計(jì)。

2.4 未來發(fā)展方向

從當(dāng)前情況來看，對于物理層保密的理論知識，還需要不斷加以改進(jìn)和完善。因此，本文針對相關(guān)安全技術(shù)問題給予了詳細(xì)的說明。物理層安全技術(shù)和傳統(tǒng)安全技術(shù)相比較而言，是不會(huì)產(chǎn)生任何沖突的。怎樣將現(xiàn)有的技術(shù)和以往技術(shù)相互聯(lián)系和結(jié)合在一起，最大限度發(fā)揮性能優(yōu)勢，使通信技術(shù)快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)最佳的效果，這是對后期技術(shù)發(fā)展的一種展望。對跨層協(xié)同的信號秘密傳送的深入研究，只有真正實(shí)現(xiàn)將物理層信號保密技術(shù)完美融入到傳統(tǒng)的通信辦法里，徹底解決疑難問題，物理層安全技術(shù)才就能夠更進(jìn)一步地為人類造福。目前研究人員的最終愿望是將物理層安全技術(shù)真正使用到未來的移動(dòng)通信產(chǎn)品里面。在未來，很有可能成立專門工作組來探討無線通信理念中的物理層信息保密技術(shù)，并讓無線通信標(biāo)準(zhǔn)中的物理層加密技術(shù)最終成為所有無線通信設(shè)備不可或缺的安全保障技術(shù)。

3 結(jié)語

隨著研究工作的深入開展，物理層安全技術(shù)在未來仍然有很大的提升空間。物理層安全技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是安全編碼，如何設(shè)計(jì)優(yōu)異的碼字對于提升安全通信能力非常重要。多天線靈活的天線配置，為安全傳輸提供了額外的自由度。合理設(shè)計(jì)天線和發(fā)送功率的配置，可以進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的安全傳輸能力，具有非常重要的研究意義。

[1]黃熠.無線通信系統(tǒng)中物理層安全技術(shù)研究[J].電腦知識與技術(shù)，2017，13（4）：17-18.

[2]屈云國.中繼通信系統(tǒng)中基于協(xié)作干擾的物理層安全技術(shù)研究[D].南京：南京郵電大學(xué)，2016.

[3]劉在爽，王堅(jiān)，孫瑞，等.無線通信物理層安全技術(shù)綜述[J].通信技術(shù)，2014，47（2）：128-135.

Discussion on Physical Layer Security Technology in Wireless Communication System

Gao Yuxin

ZTE Corporation, Guangdong Huizhou 518000

With the development of wireless communication technology, communication devices have gradually become smaller and more diverse, which has improved the data transmission rate to some extent. Because the wireless transmission channel has broadcast characteristics, there is a stricter requirement for confidentiality of communication. In recent years, in the physical layer security technology, the physical characteristics of the transmission link have been adopted, and security communication has been implemented on the basis of physical layer coding, modulation, and transmission methods. It has attracted wide attention in various academic circles and application. Therefore, it mainly discusses the differences between the traditional security transmission technology and the physical layer security technology. Then it studies the multi-antenna diversity technology and cooperative interference technology in the physical layer based on the channel physical layer security technology, and finally proposes the future development scope of the physical layer security technology.

wireless communication system; physical layer security technology; future development range

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