无线通信物理层安全技术研究与展望*

张子平，郭道省，张亚军

(解放军理工大学 通信工程学院,江苏 南京 210007)

无线通信物理层安全技术研究与展望*

张子平，郭道省，张亚军

(解放军理工大学 通信工程学院,江苏 南京 210007)

无线通信在快速发展的同时，其安全性也日益受到人们的重视。物理层安全技术的出现，为无线通信系统信息安全开辟了新的途径，且在卫星通信系统中具有广阔的应用前景。对几种常见的物理层安全技术进行介绍，指出进一步的研究方向，并着重对其在卫星通信系统中的应用进行阐述与展望。最后，利用信道的衰落特性，结合安全编码，提出在移动卫星通信系统中实现通信信息安全的一种新思路。

无线通信；物理层安全；卫星通信；安全编码

0 引 言

无线通信系统因其广播特性，在信息传输过程中更易被第三方截获及窃听，造成信息的泄密。当前，无线通信系统的安全机制仍建立在物理层之外的多层协议上。然而，完美的传输链路往往难以实现，用以传输密钥的信道也难以保证安全性。因此，当物理层不可靠时，传统加密方法的安全性将难以有效保证。于是，物理层安全方法逐渐成为人们研究的热点。

无 线 通 信 物 理 层 安 全（Physical Layer Security）主要利用传输链路的动态物理特性，通过信号处理、通信协议以及编码调制等技术，避免窃听方获知信息，同时向通信方提供安全可靠的、可量化的通信。物理层安全理论源于Shannon提出的安全加密模型[1]。Shannon在模型中假设信道能实现无差错的传输，收发双方对传输信息采取“一次一密”的加密方式。为了确保通信的绝对安全，密钥应是无重复、无限长的，致使密钥信息量远远大于传输数据的信息量，因此在实际系统中无法实现。Wyner[2]在Shannon加密理论的基础上，于1975年提出窃听信道（Wiretap Channel）模型，并指出若窃听信道的接收信噪比低于合法接收信道的接收信噪比，则系统的安全容量必大于零，且存在某种编码方法，在保证窃听者无法获取任何信息的条件下，系统能以不高于安全容量的传输速率确保通信的绝对安全。此后，基于上述理论的物理层安全技术得到蓬勃发展，为实现通信信息安全开辟了新的道路。

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。

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。

使用人工噪声技术时，将AN叠加在携带保密信息的信号上，发射端信号可以表示成：

式中，a为携带信息的信号矢量，a为人工噪声矢量。在窃听端信道状态信息CSI（Channel State Information）未知的情况下，AN的引入能有效恶化窃听端的信道质量，但同时也会降低数据的传输功率，且可能在主信道产生噪声泄露，进而降低合法接收端的信干噪比。

文献[3]讨论了在已知接收端CSI的条件下，由发射端产生AN的情况。由于AN投影在接收端的零空间，因此AN对接收端的接收信号没有影响，而可对窃听端的信号产生强烈干扰。但是，该方法实现的前提是接收端CSI准确获得，而这在实际中往往难以实现。

此后，针对衰落信道、高斯对称干扰信道和离散无记忆信道的AN设计方案也分别被提出。其中一种方案是，假设接收端在接收信号的同时，均匀发送AN，则无需得知发射者Alice与合法接收者Bob间的CSI，即可使信道容量达到无窃听者时的容量[4]。但这些方案大多没有考虑窃听者的具体攻击方式，在实际应用中受到了较大的限制。

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。波束成型的核心思想是在各个阵列输出的基础上，通过加权求和形成发送的天线波束，并最优化天线阵各天线单元的加权向量，提高信号的输出信噪比，以达到抑制干扰和实现保密通信的目的。

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。考虑合法接收端配备多天线 的MIMOME（Multiple-Input Multiple-Output and Multiantenna Eavesdropper）场景，保密信息经过预编码后，可被空间复用至多个独立的子信道上，此时的发送信号矢量可表示为

当发射信号位于窃听者的零空间时，Bob与Eve之间将出现最大的信号质量差异。然而，实际中，Eve的实际CSI难以精确获得，CSI的偏差也对波束成型向量的设计存在较大影响。

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。文献[5]首次提出基于协作中继思想的窃听信道分析，文献[6]在多中继条件下对安全速率进行了研究，文献[7]则讨论了不同中继模式下的安全速率差异。近年来，基于无线多接入信道的窃听信道模型也有了一定的研究进展。

中继节点除了具备中继转发功能外，还可作为协作干扰节点。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。文献[6]在不同协作机制下，推导出可最大化安全容量的中继信息加权向量。文献[8]和文献[9]则分别基于多天线、双向中继协作机制，结合其他物理层安全方法，在理论上证实了协作干扰可提高系统的安全容量。

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。当前，使用最多的是合法接收端已知的信号，其主要优点是在降低窃听端接收性能的同时，不会对主信道的状态造成影响。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[10]。

理论上，协作干扰可应用于所有的窃听信道模型。基于中继模型的协作干扰也是当前的一大研究热点。文献[11]研究了中继干扰方案的选择问题。文献[12]则对双向中继、多中继场景下的安全容量进行了相应的研究。

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[13]；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

文献[13]基于无线MIMO信道，提出了基于多阶段训练的DCE方案，旨在最优化合法接收机（LR）的信道估计性能，同时限制未授权非法接收机（UR）的估计性能。核心思想是利用每个阶段开始时LR反馈的信道估计信息，将AN合理插入训练信号中。若LR信道的先验信息已知，AN就可与训练数据合理叠加，在恶化UR信道的同时，减小对LR用户的干扰。该方案可以区别电视广播系统中的用户（如付费与未付费），还可应用于保密通信中的抗窃听等场合。

文献[14]对上述方法加以改进，提出一种双向训练方案：接收端发送初始训练信号，发射端通过信道估计获取主信道的CSI。与此同时，窃听端接收到的信号仅包含接收端到窃听端之间的信息，巧妙地使窃听者在初始训练阶段无法获得良好的信道估计。

需要注意的是，上述双向训练方案仅当信道满足互易性条件时才可实现，否则发射端无法通过反向训练获得前向信道的信息。针对这种情况，可考虑采用全程训练方案，即发射端广播一个随机训练信号，接收端利用放大前传策略将信号反馈回来。由于仅发射端知道该训练信号的信息，因而窃听端无法改善自身的信道估计。双向DCE方案可以有效减小报头开销，但其性能受接收端可获得功率的约束。

上述方案针对的均是被动的窃听节点。若窃听节点主动攻击训练信号，这些方案大部分将失去作用。文献[15]基于半盲方法中的白化和旋转（WR）方法，提出一种新的双向训练方案，并对训练信号功率和AN功率进行了最优化设计。结果表明，相比基于LMMSE信道估计器的DCE方案，基于WR的DCE方案的性能更为优异，且当窃听者主动利用训练信号进行攻击时，表现更为稳健。

尽管上述DCE方案面向MIMO系统，但这些系统大多只是利用多个分布式节点（如网卡）构成的虚拟MIMO系统。目前，基于实际大规模MIMO系统，在信道估计阶段对物理层安全技术进行验证的研究尚未开展，其中相关信道的问题，更是一项值得研究的工作。

1.5 网络编码

近年来，物理层网络编码成为学术界一大研究热点。Ao等人提出有限域上物理层网络编码与信道编码联合设计的思想，在加性高斯白噪声场景、误比特率为10-5时，获得了2.1 dB的性能增益[16]。Li等人在协作中继场景下，基于复数域上网络编码的信号叠加转发机制，结合功率分配及预编码设计，证实该机制可获得更好的性能[17]。

实现物理层安全的关键之处在于安全编码方案。所有的编码方式，都希望保证合法用户的通信安全性，使窃听用户在信道状态弱于合法用户时，无法得到可辨识的信息。信道编码不仅可用于纠错，还可用于公开密钥加密系统。它与加密体制的一体化设计，可同时满足通信可靠性及安全性的要求，减小系统开销及资源需求，并能提高处理速度。然而，若没有对纠错与加密的结合进行良好的设计，系统的可靠性和安全性将同时下降，这也成为一个相当棘手的问题。

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。QCLDPC码结构简单，可基于相同码长、度分布构造大量不同的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McEliece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[18]。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

2.1 卫星通信概述

卫星通信以频带宽、容量大为主要特征，具有覆盖能力强、稳定性高、适用于多种业务的优点，广泛应用于民用和军用领域，成为战场信息传输的主要方式之一。与传统通信方式相比，卫星通信具备以下三个主要优势：①超远距离通信的实现，且通信成本与通信距离无必然关联；②以广播方式工作，使得多址联接易于实现；③通信容量大，可同时支持多种业务传输。

然而，在具有诸多优势的同时，由于安全技术层面的制约，卫星通信也存在一些安全弱点：①物理通信环境恶劣，星座网络位于太空近地轨道，通信链路极易受到宇宙射线、大气层电磁信号等的干扰，遭受截获、伪造、干扰等恶意攻击；②卫星通信系统是一种具有功率约束的系统，直接制约星上运算的复杂度及通信开销，致使安全性较高的复杂协议难以在卫星网络上实现；③网络的动态变化使网络通信实体之间的信任关系不断发生改变，从而加大了身份认证、密钥管理等的难度[19]。

2.2 卫星通信物理层安全技术

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[20]。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。其次，对信息的加解密需要使用保密模块，这不仅会加大信号的传输时延，还会增加系统的功率负担，从而在一定程度上影响卫星通信的效率。于是，人们开始致力于将新兴的物理层安全技术应用于卫星通信中，以增强其通信保密性。

2.2.1 多波束卫星通信系统下行模型

考虑多波束卫星通信系统中的下行链路，其场景如图2所示。

假设卫星系统采用相干方式（如波束成型）对M个天线元进行处理，形成K个波束（K≤M），并为K个用户提供服务。同时，在波束覆盖范围内存在一个被动窃听者Eve，其与合法用户均配备单天线。因而，可建模成如图3所示的多用户MISOSE（Multiple-input Single-output Single-antenna Eavesdropper）窃听模型[21]。

图3 多用户MISOSE场景

2.2.2 两种波束成型算法

当前，多波束卫星系统面临的主要挑战有两个：功率限制和同信道干扰。采用波束成型方法，通过调整波束图案，结合功率控制，可以最小化发射功率或最大化信干噪比，从而提升系统的安全容量。由于多用户系统的保密容量难以计算，因此可采用最大保密速率来衡量系统的安全性。下面介绍两种波束成型算法：迫零（ZF）波束成型和增强信噪漏比（E-SLNR）。

ZF波束成型算法的基本思想是使合法用户间的干扰为零，并且窃听者的信号泄露为零。对发送信号进行波束成型加权，可抵消同信道干扰，并将窃听者的信号泄露置零。此时，求解最大保密速率问题可转化为求解最佳波束成型矢量以及最佳功率分配问题。

文献[21]首先求解出最佳波束成型矢量

式中，IM表示M阶单位矩阵，

是矩阵 的伪逆。再利用标准注水算法，解得

式中，常数u表示注水高度。

E-SLNR波束成型算法的基本思想则是将合法用户间的信号泄露与窃听者的信号泄露统一进行波束成型矩阵设计。定义E-SLNR为合法用户接收信号功率与泄露信号功率加噪声的比值，则能得到波束成型矩阵的最优解：

仿真结果表明，ZF算法与E-SLNR算法均能增强系统的安全性能，但在用户数目较大时，E-SLNR算法表现出更好的安全性能[21]。

2.2.3 相关文献研究

文献[22-23]研究了多波束卫星系统上的功率控制问题。其中，文献[22]在功率约束条件下，对系统的安全容量进行了优化，但这种优化相当有限；文献[23]则针对卫星系统的上行阶段，讨论了联合功率和载波分配的问题。文献[24]采用波束成型，在每个同信道接收端的零空间内发射信号，较好地克服了同信道干扰问题。此外，在多天线广播场景下，使用带权重的迫零波束成型，可消除多用户间的同信道干扰。

显然，上述文献中提出的方案多是对功率控制与波束成型分别进行讨论，而没有研究二者联合优化的方案。文献[25]通过功率控制与波束成型，对多波束卫星通信系统进行设计，并证明了其可实现安全容量为正的通信。但若在窃听端CSI变优，抑或合法接收端CSI变差的情况下，系统消耗的功率也将大大增加。

2.3 卫星通信物理层安全挑战与展望

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。譬如，由于卫星通信系统的大范围广播特性，要想系统获得非零安全容量，需要保证所有合法接收端的信道条件均优于窃听信道。而在对地静止轨道卫星系统中，不同用户信道差异很小，难以获得较大的安全容量。在移动卫星通信系统中，可以利用信道的衰落特性，结合安全编码来实现安全；而若采用一般的人工噪声方法，由于卫星通信系统的功率受限，通过星上功率来发送人工噪声势必影响其寿命和续航能力，因此在实际应用中存在较大的局限性。此外，协作通信也难以在单星平台系统中实现协同。因此，若希望在卫星通信系统中应用传统的地面物理层安全方法，仍有许多理论和应用方面的瓶颈亟待解决。

目前，物理层安全方法更多的是作为一种安全通信的补充手段。考虑到卫星通信系统的特殊性，未来一段时间内，不同通信层级安全技术的联合使用和相同通信层级不同安全技术的联合使用，将会是大势所趋。波束成型与功率控制的联合优化，甚至是与网络编码的三者联合应用，将是实现卫星通信系统物理层安全技术可行化的主要突破口之一。

3 结 语

无线通信物理层安全领域所涵盖的丰富多样的技术手段，为提升系统的安全性起到了非常重要的作用。物理层既可依靠上层保密技术的支持和管理，也可通过自身的加密手段辅助上层的安全设计，因而跨层安全设计是一个值得深入研究的问题。当前，物理层安全技术的研究大多处在理论阶段，仍需更多的实践工作才能使其成熟应用于通信系统。而地面物理层安全技术的研究，也为卫星通信系统的安全方案提供了新的思路。可见，随着卫星通信的迅速发展，物理层安全增强的卫星通信仍有很多亟待解决的问题和值得研究的工作。

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张子平（1993—），男，硕士研究生，主要研究方向为物理层安全；

郭道省（1973—），男，博士，教授，主要研究方向为卫星通信；

张亚军（1986—），男，博士研究生，主要研究方向为协同通信、物理层安全、同频全双工。

Research and Prospect for Physical Layer Secure Technologyin Wireless Communication

ZHANG Zi-ping,GUO Dao-xing,ZHANG Ya-jun
(College of Communication Engineering,PLA University of Science & Technology,Nanjing Jiangsu 210007,China）

With the rapid development of wireless communication, its security problems gradually attracts more and more attention meanwhile. Physical layer security technology, which has provided a new way for the security of information in wireless communication, has broad prospects for applications in satellite communication system. Several physical layer security methods are introduced, and the directions for further study have been pointed out. Moreover, the application as well as prospects of physical layer security technology in satellite communication are emphatically described. Finally, a new idea to achieve security using the fading characteristic of channel and secure coding in a mobile satellite communication system has been put forward.

Wireless communication;Physical layer security;Satellite communication;Secure coding

TN929.5

：A

：1002-0802(2016)-06-0649-07

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.06.001

2016-02-07;

：2016-05-05 Received date:2016-02-07;Revised date:2016-05-05

国家自然科学基金资助项目(No.91338201)

Foundation Item: National Natural Science Foundation of China(No.91338201)