無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

無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

作為重要的無線通信方式之一，衛(wèi)星通信以其可實(shí)現(xiàn)全球無縫覆蓋、組網(wǎng)靈活、廣播應(yīng)用優(yōu)勢明顯、資源共享等諸多優(yōu)勢，日益受到人們的青睞。隨著無線通信技術(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程中的信息截獲問題，從而進(jìn)一步增強(qiáng)通信安全。本文將綜述幾種常見的物理層安全方法，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)場景中的無線通信系統(tǒng)大部分是長距離的，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。通過發(fā)送人為干擾，降低竊聽端的接收信噪比，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，通過限制竊聽端對(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)簡單，可基于相同碼長、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)要求簡單，支持高速加 /解密，密鑰開銷小。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)。若竊聽端的計(jì)算能力足夠強(qiáng)大，則仍然無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

作為重要的無線通信方式之一，衛(wèi)星通信以其可實(shí)現(xiàn)全球無縫覆蓋、組網(wǎng)靈活、廣播應(yīng)用優(yōu)勢明顯、資源共享等諸多優(yōu)勢，日益受到人們的青睞。隨著無線通信技術(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程中的信息截獲問題，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.