无线通信系统中物理层安全技术探讨

高宇鑫



无线通信系统中物理层安全技术探讨

高宇鑫

中兴通讯股份有限公司，广东 惠州 518000

随着无线通信技术的发展，通信设备逐渐呈现小型化、多样化发展，在一定程度上提升了数据传播速率。由于无线传输通道具备广播特点，因此对通信保密有了更加严格的要求。最近几年，在物理层安全技术中，主要采取了传输链路物理特点，在物理层编码、调制以及传输方式的基础上实现了安全性通信，在各个学术界中受到了广泛关注和应用。因此，主要论述了传统安全传输技术和物理层安全技术存在的不同性，然后研究了物理层中的多天线分集技术、协作干扰技术以基于信道物理层安全技术，最后提出了物理层安全技术未来发展范围。

无线通信系统；物理层安全技术；未来发展范围

无线通信技术的出现，在一定程度上丰富了人们的生活水平，尤其是在通信应用区域内，极大地增强了通信水平和整体能力。可是，在无线通信信道中，由于受到固有广播性、开放性以及传输链路不稳定性等因素的影响，因此无线通信系统与传统的有限通信系统相比较而言，更容易受到非法用户的监听和侦察，从而引发传输数据流失等现象。最近几年，出现的小米移动云泄露等情况，都说明了信息安全在无线通信领域中起到的重要性。所以，设计安全、高效稳定的无线通信系统在国家安全、商业机密等内容中，占据十分重要的地位。创新安全通信，可以增强国际现代化水平，提升我国的竞争力。

1 无线通信系统中物理层安全技术发展背景

传统的安全技术主要采取密钥管理、身份确认等方式，其安全机制建立在计算机密码学方法的基础上，在应用计算机网络上层协议的设计中增强信息的准确性。传统安全技术一般依靠破解生成密钥需要较高的计算复杂度来提高加密算法的有效性，但是在计算能力不断提升和信息运输场景呈现多样化的背景下，传统密钥体系面临着严峻的挑战。其中存在的不足主要表现在以下几点：

第一，随着计算水平的不断提高，尤其是量子计算的出现，以计算复杂度为基本理论基础设计的现代密码学加密算法存在着很大的安全隐患。

第二，在无线网络中，信息传播的广播特征和系统中终端设备的一种特征，使得密钥在维护管理期间面临着很大的复杂性。

第三，传统网络呈现多样化、异构性发展方式，具备用户之间交流以及用户和基站之间交流频繁性特点，所以传统的加密方式的作用无法有效发挥出来。因此，寻找一种新型的安全运输技术来弥补传统安全技术预留的不足，建立更加完善的密码体制是首要的目标。

现阶段，随着物理层安全技术的出现，它在一定程度上解决了无线通信安全问题，为其发展提供了新的发展方向。这一技术的主要思想是从信息论角度入手，并不是简单地增加计算复杂度来确保网络信息的安全性。物理层安全技术，一般是利用无线传输链路的动态特点，依靠信号处理、编码调制等物理层方法，在防止别人盗取信息的同时，为通信方提供更加安全可靠的通信。从中可以看出，物理层安全技术未来应用前景开阔。

2 物理层安全技术

对于物理层安全技术的研究，主要从以下两个方面进行：第一，基于安全编码的物理层安全；第二，基于信号处理的物理层安全。

物理层安全编码可以实现安全运输。它一般通过主窃信道自查，从信息理论角度入手，防止信息遭到窃听，在提升质量的同时，保证了信号的良好传输。另外，利用信号处理方式，可以不断优化无线通信系统的各项资源，增强主窃链路之间的差异性，从而为实现安全编码奠定良好基础。物理层安全技术包含协作干扰技术、多天线分集技术以及全双工技术等。

2.1 协作干扰技术

协作干扰技术是实现物理层安全传输的主要方式，以合法终端正常通信不产生干扰的情况下，通过将人工噪音和干扰信号引进传输通道的零空间中来干扰窃听节点对信号的接受情况。人工噪音和干扰信号能够在发送端和接收端中添加。在多人单出的无线通信系统内，使用发电天线传输信息，以此提升传输的安全性。在放大转发中继系统内，利用目的节点发送干扰实现安全通信，并且通过优化干扰功率分配来实现安全稳定传递胡。从以上论述可以看出，协作干扰技术起到了十分重要的作用，它在一定程度上能够防止受到干扰，有效保证了传输质量。

2.2 多天线分集技术

随着无线多入多出技术的应用，终端具备多根发送和接收天线，如图1所示。多天线技术一般是利用空间自由度来实现安全运输。发送端的多天线技术，包含最大比传输、空时编码传输和发送天线选择等多个方案。最大比传输技术是通过加权处理多根发射天线的系数来增强接收端的信号强度；空时编码技术是利用发端多天线带来的空间维度来增强信息的可靠性；发送天线选择技术则是选择最优的发射天线，增加接收端的瞬时信噪比。在上述三种技术中，由于发送天线选择仅仅需要单个射频链路，其杂度低，所以应用范围广。

图1 发端和收端天线数目对系统安全传输频率的示意图

针对接收端的天线分级，由于每根天线全都收到信号的副本，因此可以使用多天线技术来提升终端接收能力，从而保证合法链路的传输质量。

2.3 基于信道估计的物理层安全技术

上文论述的多天线技术和协作干扰技术，都是采取主窃链路信号的差异方式来实现安全管理，两者可以在信号传输环节中起到重要的作用，而信号传输一般是对信道状态信息进行估计。从中可以看出，通过干扰用户对信道状态信息的估计能力，可以恶化窃听用户在数据传输阶段的信息破译能力。因此，差异化信道估计是实现物理层安全的主要方法。

在多人多处信道内，专门设计了合法用户和窃听用户之间差异性信道质量的估计方案。这一方案合理地将人工噪音添加到训练信号的零空间中去，并且优化合法用户的信道估计性能，提升系统传输稳定性。此方案存在的不足之处是信道估计期间需要多个阶段的反馈训练。这样一来，使得数据效率低下。对此，可以详细改进这一方法，制订双向训练的方案，利用目的节点发送初始训练信号，窃听用户收到的信号，主要是合法用户到窃听用户之间的信息，而不是基站到窃听用户之间的信息，以此防止窃听端对初始训练阶段的估计。

2.4 未来发展方向

从当前情况来看，对于物理层保密的理论知识，还需要不断加以改进和完善。因此，本文针对相关安全技术问题给予了详细的说明。物理层安全技术和传统安全技术相比较而言，是不会产生任何冲突的。怎样将现有的技术和以往技术相互联系和结合在一起，最大限度发挥性能优势，使通信技术快速发展，实现最佳的效果，这是对后期技术发展的一种展望。对跨层协同的信号秘密传送的深入研究，只有真正实现将物理层信号保密技术完美融入到传统的通信办法里，彻底解决疑难问题，物理层安全技术才就能够更进一步地为人类造福。目前研究人员的最终愿望是将物理层安全技术真正使用到未来的移动通信产品里面。在未来，很有可能成立专门工作组来探讨无线通信理念中的物理层信息保密技术，并让无线通信标准中的物理层加密技术最终成为所有无线通信设备不可或缺的安全保障技术。

3 结语

随着研究工作的深入开展，物理层安全技术在未来仍然有很大的提升空间。物理层安全技术实现的基础是安全编码，如何设计优异的码字对于提升安全通信能力非常重要。多天线灵活的天线配置，为安全传输提供了额外的自由度。合理设计天线和发送功率的配置，可以进一步优化系统的安全传输能力，具有非常重要的研究意义。

[1]黄熠.无线通信系统中物理层安全技术研究[J].电脑知识与技术，2017，13（4）：17-18.

[2]屈云国.中继通信系统中基于协作干扰的物理层安全技术研究[D].南京：南京邮电大学，2016.

[3]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（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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