无线通信物理层安全技术

马 波

广东省电信规划设计院有限公司(东莞)第一分公司

无线通信物理层安全技术

马 波

广东省电信规划设计院有限公司(东莞)第一分公司

作为重要的无线通信方式之一，卫星通信以其可实现全球无缝覆盖、组网灵活、广播应用优势明显、资源共享等诸多优势，日益受到人们的青睐。随着无线通信技术的迅猛发展，卫星通信被广泛应用在民用及军用领域，可提供宽带多媒体、卫星广播、卫星互联网等业务。然而，卫星通信的大范围广播特性也使通信信号更易被非法用户窃取。随着物理层安全技术的发展，卫星通信物理层安全研究有望解决广播过程中的信息截获问题，从而进一步增强通信安全。本文将综述几种常见的物理层安全方法，并对卫星通信物理层安全研究进行概述和展望。

无线通信；物理层安全；卫星通信；安全编码

1 、物理层安全方法

当前，物理层安全技术研究主要从信息论、传输优化及功率资源分配等方面开展。前者主要研究系统的保密容量理论；后者则主要研究人工噪声、波束成型、安全编码及其他利用信道特性的物理层安全技术。

1.1 人工噪声

人工噪声 AN(Artificial Noise)能有效增强系统安全性，在对窃听者造成极大干扰的同时，保证合法接收者的正常通信。在发射端添加适当的人工噪声，以牺牲部分发射功率为代价，可人为增大窃听者与合法接收者之间的信道质量差距。因此，即便合法接收者的信道噪声强于窃听者，安全传输仍可能实现。

1.2 波束成型

波束成型是使一个数据流在多个天线上以秩为1 传输，而预编码是在多个天线上同时对多个数据流进行多秩传输，因而可认为波束成型是预编码的特例，在设计上更加简单和直观。为实现物理层安全，通常的方法是设计有效的信道，以增大 Bob 与窃听者 Eve 间的信号质量差异。若充分利用波束成型，则能得到 Alice 与 Bob之间的最大保密速率。

1.3 协作干扰

由于发射端的发射功率有限，而现实场景中的无线通信系统大部分是长距离的，因此往往需要采用协作通信技术。协作通信的核心思想是，Alice 先将信号发给中继站，再由中继站发往 Bob。 专家讨论了不同中继模式下的安全速率差异。通过发送人为干扰，降低窃听端的接收信噪比，提升系统的安全性。

协作干扰技术中常用的干扰信号有三类：高斯白噪声、其他信源的发送信号以及合法接收端已知的信号。高斯白噪声虽然易于产生及实现，但在干扰窃听者的同时，也会影响合法接收者的接收性能，因而对系统安全容量的提升作用不大。若利用其他信源的发射信号，虽然能节省大量的发射功率，但实现过程较为复杂，且可能对其他信道产生依赖，因此安全稳定性较差。但接收端也需要采用消除信号的合理方法，因而也具有一定的复杂度。

1.4 差异化信道估计

在信道估计阶段，通过限制窃听端对 CSI 的估计性能，可以降低在数据传输阶段窃听端的有效信噪比 SNR，弱化其对信息的破译能力。该思想主要通过差异化信道估计 DCE(discriminatory channel estimation)方案实现。具体做法：将 AN 插入训练信号，恶化窃听端对 CSI 的估计性能，其中 AN 需要尽可能安插在Alice 到 Bob 信道的零空间内。为此，Alice 必须首先获得该信道的先验信息。此方案的难点在于如何使 Alice 获得足够的信道先验信息，尽量避免对窃听者有利的情况。当前，针对 DCE 的研究方案主要有两种：一是反馈与再训练 DCE 方案；二是双向训练方案[14-15]。图 1 为 DCE 方案中人工噪声辅助训练示意图。

图1 DCE 方案中人工噪声辅助训练示意

1.5 网络编码

一般地，将可实现保密容量的信道编码称为安全编码。许多信道编码如极化码、格型编码等，经过一些适应性的改变，能够逼近保密容量的极限。其中，应用最多的是低密度奇偶校验 LDPC(Low Density Parity Check)码。LDPC 码实质上是一种线性分组码。它最大的亮点在于其接近 Shannon 极限的误码性能。根据校验矩阵的特征，LDPC 码又可分为准循环移位LDPC(QC-LDPC)码、重复累积码、规则码以及非规则码，其中又以 QC-LDPC 码最为引人关注。QC-LDPC码结构简单，可基于相同码长、度分布构造大量不同QC-LDPC 码，增加系统的安全性；对编 /译码的电路结构要求简单，支持高速加 /解密，密钥开销小。因此，将 QC-LDPC 码应用于 Mc Eliece 公钥体制，可得到较高的信息速率，并将加 / 解密复杂度和密钥开销控制在较低程度。当前的相关研究方向主要有两个：基于 LDPC 码加密方案的设计；针对保密方案安全性进行密码分析及攻击方法研究。

2 、卫星通信物理层安全

卫星通信物理层安全研究是基于地面无线通信物理层安全研究的成果，并结合卫星通信的特点，形成的适用于卫星通信的物理层安全技术理论。当前，卫星通信仍主要采用上层密码技术以增强通信安全性，因而也具有传统加密机制的缺点。若窃听端的计算能力足够强大，则仍然无法保证信息的保密性。功率负担，从而在一定程度上影响卫星通信的效率。虽然面向卫星通信系统的物理层安全技术正在蓬勃发展，但其仍面临着相当大的挑战。

结术语

作为重要的无线通信方式之一，卫星通信以其可实现全球无缝覆盖、组网灵活、广播应用优势明显、资源共享等诸多优势，日益受到人们的青睐。随着无线通信技术的迅猛发展，卫星通信被广泛应用在民用及军用领域，可提供宽带多媒体、卫星广播、卫星互联网等业务。然而，卫星通信的大范围广播特性也使通信信号更易被非法用户窃取。随着物理层安全技术的发展，卫星通信物理层安全研究有望解决广播过程中的信息截获问题，从而进一步增强通信安全。

[1]刘在爽，王坚，孙瑞等.无线通信物理层安全技术综述[J].通信技术，2014，47(02)：128-135.

[2]张应宪，刘爱军，王永刚等.卫星通信物理层安全技术研究展望[J].电讯技术，2013，53(03)：363-370.