無線通信物理層安全技術

馬 波

廣東省電信規劃設計院有限公司(東莞)第一分公司

無線通信物理層安全技術

馬 波

廣東省電信規劃設計院有限公司(東莞)第一分公司

作為重要的無線通信方式之一，衛星通信以其可實現全球無縫覆蓋、組網靈活、廣播應用優勢明顯、資源共享等諸多優勢，日益受到人們的青睞。隨著無線通信技術的迅猛發展，衛星通信被廣泛應用在民用及軍用領域，可提供寬帶多媒體、衛星廣播、衛星互聯網等業務。然而，衛星通信的大范圍廣播特性也使通信信號更易被非法用戶竊取。隨著物理層安全技術的發展，衛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，從而進一步增強通信安全。本文將綜述幾種常見的物理層安全方法，并對衛星通信物理層安全研究進行概述和展望。

無線通信；物理層安全；衛星通信；安全編碼

1 、物理層安全方法

當前，物理層安全技術研究主要從信息論、傳輸優化及功率資源分配等方面開展。前者主要研究系統的保密容量理論；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。

1.1 人工噪聲

人工噪聲 AN(Artificial Noise)能有效增強系統安全性，在對竊聽者造成極大干擾的同時，保證合法接收者的正常通信。在發射端添加適當的人工噪聲，以犧牲部分發射功率為代價，可人為增大竊聽者與合法接收者之間的信道質量差距。因此，即便合法接收者的信道噪聲強于竊聽者，安全傳輸仍可能實現。

1.2 波束成型

波束成型是使一個數據流在多個天線上以秩為1 傳輸，而預編碼是在多個天線上同時對多個數據流進行多秩傳輸，因而可認為波束成型是預編碼的特例，在設計上更加簡單和直觀。為實現物理層安全，通常的方法是設計有效的信道，以增大 Bob 與竊聽者 Eve 間的信號質量差異。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 協作干擾

由于發射端的發射功率有限，而現實場景中的無線通信系統大部分是長距離的，因此往往需要采用協作通信技術。協作通信的核心思想是，Alice 先將信號發給中繼站，再由中繼站發往 Bob。 專家討論了不同中繼模式下的安全速率差異。通過發送人為干擾，降低竊聽端的接收信噪比，提升系統的安全性。

協作干擾技術中常用的干擾信號有三類：高斯白噪聲、其他信源的發送信號以及合法接收端已知的信號。高斯白噪聲雖然易于產生及實現，但在干擾竊聽者的同時，也會影響合法接收者的接收性能，因而對系統安全容量的提升作用不大。若利用其他信源的發射信號，雖然能節省大量的發射功率，但實現過程較為復雜，且可能對其他信道產生依賴，因此安全穩定性較差。但接收端也需要采用消除信號的合理方法，因而也具有一定的復雜度。

1.4 差異化信道估計

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

圖1 DCE 方案中人工噪聲輔助訓練示意

1.5 網絡編碼

一般地，將可實現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，經過一些適應性的改變，能夠逼近保密容量的極限。其中，應用最多的是低密度奇偶校驗 LDPC(Low Density Parity Check)碼。LDPC 碼實質上是一種線性分組碼。它最大的亮點在于其接近 Shannon 極限的誤碼性能。根據校驗矩陣的特征，LDPC 碼又可分為準循環移位LDPC(QC-LDPC)碼、重復累積碼、規則碼以及非規則碼，其中又以 QC-LDPC 碼最為引人關注。QC-LDPC碼結構簡單，可基于相同碼長、度分布構造大量不同QC-LDPC 碼，增加系統的安全性；對編 /譯碼的電路結構要求簡單，支持高速加 /解密，密鑰開銷小。因此，將 QC-LDPC 碼應用于 Mc Eliece 公鑰體制，可得到較高的信息速率，并將加 / 解密復雜度和密鑰開銷控制在較低程度。當前的相關研究方向主要有兩個：基于 LDPC 碼加密方案的設計；針對保密方案安全性進行密碼分析及攻擊方法研究。

2 、衛星通信物理層安全

衛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，并結合衛星通信的特點，形成的適用于衛星通信的物理層安全技術理論。當前，衛星通信仍主要采用上層密碼技術以增強通信安全性，因而也具有傳統加密機制的缺點。若竊聽端的計算能力足夠強大，則仍然無法保證信息的保密性。功率負擔，從而在一定程度上影響衛星通信的效率。雖然面向衛星通信系統的物理層安全技術正在蓬勃發展，但其仍面臨著相當大的挑戰。

結術語

作為重要的無線通信方式之一，衛星通信以其可實現全球無縫覆蓋、組網靈活、廣播應用優勢明顯、資源共享等諸多優勢，日益受到人們的青睞。隨著無線通信技術的迅猛發展，衛星通信被廣泛應用在民用及軍用領域，可提供寬帶多媒體、衛星廣播、衛星互聯網等業務。然而，衛星通信的大范圍廣播特性也使通信信號更易被非法用戶竊取。隨著物理層安全技術的發展，衛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，從而進一步增強通信安全。

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

[2]張應憲，劉愛軍，王永剛等.衛星通信物理層安全技術研究展望[J].電訊技術，2013，53(03)：363-370.