無線通信系統中物理層安全技術探討

高宇鑫

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無線通信系統中物理層安全技術探討

高宇鑫

中興通訊股份有限公司，廣東 惠州 518000

隨著無線通信技術的發展，通信設備逐漸呈現小型化、多樣化發展，在一定程度上提升了數據傳播速率。由于無線傳輸通道具備廣播特點，因此對通信保密有了更加嚴格的要求。最近幾年，在物理層安全技術中，主要采取了傳輸鏈路物理特點，在物理層編碼、調制以及傳輸方式的基礎上實現了安全性通信，在各個學術界中受到了廣泛關注和應用。因此，主要論述了傳統安全傳輸技術和物理層安全技術存在的不同性，然后研究了物理層中的多天線分集技術、協作干擾技術以基于信道物理層安全技術，最后提出了物理層安全技術未來發展范圍。

無線通信系統；物理層安全技術；未來發展范圍

無線通信技術的出現，在一定程度上豐富了人們的生活水平，尤其是在通信應用區域內，極大地增強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定性等因素的影響，因此無線通信系統與傳統的有限通信系統相比較而言，更容易受到非法用戶的監聽和偵察，從而引發傳輸數據流失等現象。最近幾年，出現的小米移動云泄露等情況，都說明了信息安全在無線通信領域中起到的重要性。所以，設計安全、高效穩定的無線通信系統在國家安全、商業機密等內容中，占據十分重要的地位。創新安全通信，可以增強國際現代化水平，提升我國的競爭力。

1 無線通信系統中物理層安全技術發展背景

傳統的安全技術主要采取密鑰管理、身份確認等方式，其安全機制建立在計算機密碼學方法的基礎上，在應用計算機網絡上層協議的設計中增強信息的準確性。傳統安全技術一般依靠破解生成密鑰需要較高的計算復雜度來提高加密算法的有效性，但是在計算能力不斷提升和信息運輸場景呈現多樣化的背景下，傳統密鑰體系面臨著嚴峻的挑戰。其中存在的不足主要表現在以下幾點：

第一，隨著計算水平的不斷提高，尤其是量子計算的出現，以計算復雜度為基本理論基礎設計的現代密碼學加密算法存在著很大的安全隱患。

第二，在無線網絡中，信息傳播的廣播特征和系統中終端設備的一種特征，使得密鑰在維護管理期間面臨著很大的復雜性。

第三，傳統網絡呈現多樣化、異構性發展方式，具備用戶之間交流以及用戶和基站之間交流頻繁性特點，所以傳統的加密方式的作用無法有效發揮出來。因此，尋找一種新型的安全運輸技術來彌補傳統安全技術預留的不足，建立更加完善的密碼體制是首要的目標。

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

2 物理層安全技術

對于物理層安全技術的研究，主要從以下兩個方面進行：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現安全運輸。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，在提升質量的同時，保證了信號的良好傳輸。另外，利用信號處理方式，可以不斷優化無線通信系統的各項資源，增強主竊鏈路之間的差異性，從而為實現安全編碼奠定良好基礎。物理層安全技術包含協作干擾技術、多天線分集技術以及全雙工技術等。

2.1 協作干擾技術

協作干擾技術是實現物理層安全傳輸的主要方式，以合法終端正常通信不產生干擾的情況下，通過將人工噪音和干擾信號引進傳輸通道的零空間中來干擾竊聽節點對信號的接受情況。人工噪音和干擾信號能夠在發送端和接收端中添加。在多人單出的無線通信系統內，使用發電天線傳輸信息，以此提升傳輸的安全性。在放大轉發中繼系統內，利用目的節點發送干擾實現安全通信，并且通過優化干擾功率分配來實現安全穩定傳遞胡。從以上論述可以看出，協作干擾技術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，有效保證了傳輸質量。

2.2 多天線分集技術

隨著無線多入多出技術的應用，終端具備多根發送和接收天線，如圖1所示。多天線技術一般是利用空間自由度來實現安全運輸。發送端的多天線技術，包含最大比傳輸、空時編碼傳輸和發送天線選擇等多個方案。最大比傳輸技術是通過加權處理多根發射天線的系數來增強接收端的信號強度；空時編碼技術是利用發端多天線帶來的空間維度來增強信息的可靠性；發送天線選擇技術則是選擇最優的發射天線，增加接收端的瞬時信噪比。在上述三種技術中，由于發送天線選擇僅僅需要單個射頻鏈路，其雜度低，所以應用范圍廣。

圖1 發端和收端天線數目對系統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來提升終端接收能力，從而保證合法鏈路的傳輸質量。

2.3 基于信道估計的物理層安全技術

上文論述的多天線技術和協作干擾技術，都是采取主竊鏈路信號的差異方式來實現安全管理，兩者可以在信號傳輸環節中起到重要的作用，而信號傳輸一般是對信道狀態信息進行估計。從中可以看出，通過干擾用戶對信道狀態信息的估計能力，可以惡化竊聽用戶在數據傳輸階段的信息破譯能力。因此，差異化信道估計是實現物理層安全的主要方法。

在多人多處信道內，專門設計了合法用戶和竊聽用戶之間差異性信道質量的估計方案。這一方案合理地將人工噪音添加到訓練信號的零空間中去，并且優化合法用戶的信道估計性能，提升系統傳輸穩定性。此方案存在的不足之處是信道估計期間需要多個階段的反饋訓練。這樣一來，使得數據效率低下。對此，可以詳細改進這一方法，制訂雙向訓練的方案，利用目的節點發送初始訓練信號，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練階段的估計。

2.4 未來發展方向

從當前情況來看，對于物理層保密的理論知識，還需要不斷加以改進和完善。因此，本文針對相關安全技術問題給予了詳細的說明。物理層安全技術和傳統安全技術相比較而言，是不會產生任何沖突的。怎樣將現有的技術和以往技術相互聯系和結合在一起，最大限度發揮性能優勢，使通信技術快速發展，實現最佳的效果，這是對后期技術發展的一種展望。對跨層協同的信號秘密傳送的深入研究，只有真正實現將物理層信號保密技術完美融入到傳統的通信辦法里，徹底解決疑難問題，物理層安全技術才就能夠更進一步地為人類造福。目前研究人員的最終愿望是將物理層安全技術真正使用到未來的移動通信產品里面。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，并讓無線通信標準中的物理層加密技術最終成為所有無線通信設備不可或缺的安全保障技術。

3 結語

隨著研究工作的深入開展，物理層安全技術在未來仍然有很大的提升空間。物理層安全技術實現的基礎是安全編碼，如何設計優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。合理設計天線和發送功率的配置，可以進一步優化系統的安全傳輸能力，具有非常重要的研究意義。

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

[2]屈云國.中繼通信系統中基于協作干擾的物理層安全技術研究[D].南京：南京郵電大學，2016.

[3]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（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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