探討物理層安全技術在無線通信中的應用

黃艷群 閩南理工學院

以往安全機制在現代無線通信系統中應用較為廣泛，但其局限性也在無線通信系統的發展下不斷凸顯，包括資源限制、規模限制等，不能夠完全的滿足無線通信安全需求。針對這一情況，需要在無線通信系統的安全機制上做出更為深入的研究，而物理層安全技術是近年來關于此問題進行研究的主要方向，文中將以此作為基礎點展開相關問題分析。

1 物理層安全技術分析

1.1 無線信道簡述

無線信道也就是實現無線信息傳輸的環境，其具有著以下幾種特征：第一，時間變化性。在實現無線通信期間，終端或是臨近環境中人與物體的移動可能會引發無線信道反射、折射等變化，致使信道在時間的發展下不斷的發生著轉變，而這些元素也成為了無線通信過程中的不可控因素。第二，空間變化性。無線信道與地理環境存在著一定的相關關系，任何一個處在合法通信范疇之外的竊聽者所出現的多徑衰落與合法接受者的衰落不存在相關性，為此，參與通信活動的雙方信道出現被其他用戶竊聽的可能性較低，若想進行惡意竊聽，則需要極為接近合法通信的其中一個主體，但在此條件下，竊聽用戶的物理位置會面臨著較大的暴露風險。

1.2 物理層安全技術應用特征

對于物理層安全技術的分析，首要關注的方向便應該是此項技術的應用特征，其原因在于，只有了解技術的應用特征才能夠明確其適合應用在何種領域，以及能夠發揮出何種價值。從多年來無線通信技術的應用情況來看，物理層安全技術在整個無線通信系統中的安全性與保密性特征較為明顯。在對物理層安全技術進行深入探究中能夠了解到，此項技術在通信過程中的安全性提升建立在多種技術的合理應用基礎上，具體為：在通信期間參與通信活動的用戶在物理層合法信道中，會應用到物理層安全技術的唯一性與互易性特征，其具體表現是經由通信信息加密管理對信道中的數據信息的合法性進行識別，對竊聽或是信息截留等情況的發生加以控制。此種安全技術特征，極大的提升了無線通信的安全性以及數據信息的保密性。物理層安全模型如圖1所示。

圖1 物理層安全模型

1.3 物理層安全技術類別

依據物理層安全技術內容與應用形式可將其分為兩種：其一，協作干擾技術。如圖2所示。此項技術將竊聽信道模型技術作為基礎參考，對物理層安全技術給予加密，是近幾年才出現的全新通信安全技術。在對此種技術進行應用的過程中，主要參與的是物理層安全技術的核心技術特征，對處于通信狀態的信息進行保密編碼，提升其安全性?；诖隧椉夹g實踐期間充分的展現出物理層安全技術特征，同時其實用性特征也較為凸顯，為此，促使其成為現代物理層安全技術研究的主要方向。其二，結合性安全技術。早期發展中的物理層安全技術，將物理層安全技術與以往信息加密干預形式進行了融合，在無線通信期間，應用結合性安全保密技術實現生產，對通信密碼進行分別發送與統一管理，進一步強化了無線通信技術的安全性。

圖2 協作干擾技術模型

1.4 物理層功能分析

無線信道也就是實現無線信息傳輸的環境，而物理層屬于傳輸環境的最底層，也是與服務對象接觸最近的一層結構，物理層所需要解決的問題包括以下幾種：第一，物理層需要盡量控制物理設備與傳輸媒體，基于通信形式差異性所引發的數據鏈路層無法識別差異問題。第二，整個信息傳輸的實現需要具有為相應用戶在物理傳輸媒體中傳輸與接受比特流的能力，基于此，物理層應該具備解決物理連接的創建以及維持與釋放問題。物理層的主要功能包括以下幾種：第一，物理層能夠為數據終端提供傳送數據通路，此項通路可直接為物理媒體，同時也可以是多個物理媒體所連接的結構，完整的進行數據傳輸。第二，形成符合數據傳輸所需實體，為數據傳輸進行服務。一方面需要確保數據可以在信道中順利傳輸，另一個方面還需要提供適應的帶寬，避免信道擁擠情況的出現。第三，做好物理層常規管理工作。

2 無線通信中的物理層安全技術應用

2.1 保密編碼技術應用

對于物理層安全技術的應用是比較常見的通信安全防護手段，屬于一種保密編碼技術。在此項技術的應用期間，能夠選擇或是同時應用的信道編碼方式眾多，為進一步提升無線通信安全性提供了更多方向。此種技術的保密編碼方式包括極化碼、LDPC碼、PC碼等，基于其形式多樣性以及多種選擇可能性促使其在近年來得到了廣泛的應用。在進行無線電保密編碼期間，可依據編碼塊的長度提升，對編碼率進行合理的控制，確保其應用可靠性。在此種環境中，參與通信活動的所有用戶所應用到的無線信道在安全性上僅高于竊聽者的一層，為此，可在實現通信的階段中經由編碼技術的應用來強化通信的安全性以及保密性。經由編碼技術的應用，安全性并非建立在誤差評估上，更多的是應用到對質疑度的評估，也就是對保密編碼實踐期間為用戶提供的數據值給予評估。

2.2 協作干擾安全技術應用

對于無線通信安全物理層安全技術的應用，核心安全技術便是協作干擾技術，但在實踐過程中，會針對用戶用于通信的信道提出較高的要求，還需要具備較高的保密容量才可以保障無線通信安全技術的價值發揮?；谶@一點來看，在對無線通信協作干擾技術進行應用時，可選擇差異化的干擾技術對此種局限性加以突破，經由限制竊聽方信道的安全性來提升通信用戶信道的安全性及穩定性。此種技術應用過程可細分為多種形式：其一，應用無線通信中空域的對接特征，在通信期間促使信號空間能夠與用戶信道進行可靠對接，在此過程中將人工噪聲對其他的用戶信道實施干擾，實現雙保障模式。此種安全模式環境下，促使參與通信中的人工干擾頻率不會對通信用戶的信道造成干擾作用，也極大的限制了除此之外各信道的穩定性，達到提升用戶信道保密容量的效果，從而保障協作干擾技術的應用價值能夠最大化的發揮。在實現此種安全保密工作時，信息的發布端與接收端用戶應該預先構建協作節點，將節點作為基礎對信道進行安全防護。其二，在無線通信環境下，在無線信號中乘以隨機的保密系數，實現保密效果。在保密技術的設置上，應該在用戶信道中保障系數組合能夠有效的控制常態數據量?；诖朔N要求來看，促使其他信道用戶在通信干擾數據的作用下，處于通信狀態的信道質量會明顯弱化，而實施保護用戶的信道質量會得到提升，確保協作干擾機制的順利實現。如圖3所示，對于此項技術的應用，一方面需要參與通信活動的雙方能夠預先制定協作節點，另一個方面還需要對雙方通信要求進行降低，具有著一定的靈活性特征。在實踐應用期間，應該關注到的是結合實踐通信應用需求明確最為可靠且具有可行性的干擾技術應用，將此作為基礎條件確保協作干擾技術的價值能夠最大化的發揮。

圖3 協作干擾安全技術模型

3 結論

在無線通信技術應用中，無線信道具有著一定的開放性特征，而此特征促使其比較容易出現竊聽或是信息篡改等情況，極大的影響到信息傳送安全性以及保密性。從文中對物理層安全技術的應用分析結果來看，物理層安全技術主要有協作干擾安全技術以及結合性安全技術，而其中協作干擾技術在無線通信安全防護中的應用最為廣泛，所能夠發揮的價值也最大。經由協作干擾技術的應用，在受保護用戶實現通信的過程中，其他信道的穩定性將會受到協作干擾技術的影響，從而保障了受保護用戶信道的穩定性以及安全性。

[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(04):17-18.

[2]王喜，張子平，柴新代.無線信道中多天線系統的物理層安全技術研究[J].通信技術，2017，50(01):7-12.

[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(02):128-135.

[4]趙根銀.隨機天線陣列的物理層安全傳輸在無線通信中的應用[J].信息系統工程，2013，05(05):96.