5G通信背景下物理层安全技术研究

陈晓航

【摘要】    在通信安全发展的过程中，5G技术的诞生使通信安全的要求更加严格。物理层安全技术便是一种能够实现将安全与通信融为一体的关键技术，亦可认为物理层的安全技术是无线安全的革命性技术。物理层安全技术的本质在于可以有效地利用无线通信的特性，也就是无线通信的内生安全机制，做到“一次一密”的安全性传输。因此，针对5G通信背景下的物理层安全技術，本文将展开研究，首先分析5G通信的基本安全需求，再简要讨论物理层安全技术的具体内容，而后说明物理层加密传输技术中的密钥生成技术与物理层加密技术，希望可以有效加强通讯系统物理层的安全性能。

【关键字】    物理层安全技术    5G通信   技术研究

前言

随着通讯行业的快速发展，各大通讯企业都在不断强化通讯部署的步伐。在现阶段无线技术普遍运用的背景下，针对通讯的安全成为首要问题。由于高速发展带来的大量服务需求以及大量的数据，使得通信系统的安全性产生许多漏洞，要想适应现阶段的发展趋势，就必须有力的化解通信系统中的安全性问题。由于网络通信自身含有复杂的拓扑结构以及开放的无线链路特点，因此无法使用上层加密算法进行安全保障，传统密码学中的安全策略也无法适应现阶段的发展需求。并且，随着计算机技术的不断开发，超强的计算机技能容易轻易攻破传统的密码体系，因此，要想有效的解决这一问题，就需要从信息安全层面入手分析，了解物理层的安全技术，选用利于现阶段使用的保护传输方式，进一步加大5G通信的安全强度。

一、5G通信安全需求

1.1 5G总体安全框架

物联网的运用为5G整体的安全框架技术带来了不小的挑战。现阶段的5G通讯技术与4G网络通信技术相比，有着许多的不同，例如：新场景的应用、网络构架模式、空间技术的更新以及用户隐私安全等方面。针对这一问题，5G安全架构逐渐展现出新的模式。首先，按照5G通讯技术中的安全保护需求以及5G运行过程中使用的安全机理技术，可以进行两方面的分析，一方面是对空中的接口进行分析，另一方面是对地面的网络构建进行分析，对有关5G通讯网络中的自身安全元素进行深入探究，结合各方面的问题，建立起较新的防御机制。在新建立的安全部署架构当中，应该加大对物理层安全技术的研究力度，结合5G中的具体运用情况，从而形成一项高防御、高性能的技术解决方案。

随着时间的推移，5G技术未来必定会被应用在多种多样的场景中，但是根据使用场景的不同，就会对5G技术有不同的应用场景需求，也会影响到使用过程中5G技术的接入方式以及网络服务方式，甚至还会改变5G运行中的网络架构，要想进一步保障通信安全，应该加大对物理层的安全技术研究，形成能够有效抵御安全风险的防御系统。

1.2 5G通信的安全概况

针对现阶段的5G通信安全系统正在寻求突破，并且现在普遍使用的是传统形式的密码安全系统，虽然可以有效的提高通讯过程中的安全性，但是要想全面的进行机密的传输通讯，就需要借助大量的数据信息计算才能完成，同时在运用的过程中，还会出现延迟，使得传输过程中需要消耗过多的时间进行加密或是解密。为了能够提高传输数据的效率，现阶段的无线网络不再采用传统传输层的认证方法。

但是，在物理层面还是缺少针对通信安全的保护机质，由于无线通信过程中，信息的传输既开放又还具有一定的广播性，要是使用TCP或是IP类型的协议作为网络结构，非常容易使物理层的安全性能下降，容易被窃听者攻击与干扰，无法保证通讯传输的安全。因此，就需要对物理层的进行密钥加密，期望可以进一步提高传输的安全性，防止被窃听。在密钥加密的过程中，发送方与接收方共享同样的密钥，就能使得对文件进行加密形式的传输，可通过共享密钥完成传输的安全保障。

二、物理层安全技术研究

2.1基于信息论的物理层安全

在信息理论层面中的物理层安全问题，主要研究的切入点是以信息论的角度开展，首先了解在信息论中的物理层安全技术的限制因素有哪些，再根据具体的保密系统理论知识分析有关安全技术结构与应用性质方面的问题，通过信息论，进一步将保密系统进行定义。因此，保密系统可以被定义成一项需要传送信息到另一组中所需要的密码数字变化，而每一次数字变化都应借助一个密钥来进行加密。以此，相关研究人员就开发出具体的保密系统，便于使用密钥加密。同时也有其他学者对不使用密钥信息的传输进行安全性实验，他们发现当主信道的传输条件比窃听者的信道条件好时，能够有效地降低窃听者的攻击，对传输信息进行可靠安全的传输工作。基于这个结论，保密容量就被提出，但是无线信道还会在运行的过程中出现时变衰落效应，会影响到保密容量的高低，更加不利于物理层安全技术对信息的传输。

2.2人工噪声辅助安全

人工噪声辅助安全技术指的是，发送端再发送信号时能够同时发送出人工噪声干扰信号，用于干扰窃听者的信号，但是接收者与窃听者不同，并不会受到噪声信号的影响，能够正常接收到信息，以此来增加保密容量。虽然安全技术中的人工降噪辅助技术能够减少窃听者对传输过程中的攻击程度，确保传输的安全性与保密性，但是发送人工噪声信号需要消耗大量的发射资源，因此，在使用人工噪声辅助安全技术时，必须做好对发射频率的定量分配。

2.3面向安全的波束成形技术

在安全技术中使用的波束成形技术具体指的是，发送端能够将信息根据特定的方向发送给接收端，并且在这过程中，能够有效地干扰窃听者接收到的信号，使得窃听者无法对传输数据进行干扰，因此就可以进一步增强接收者的接收信号强度，加强波束成型技术的实现。同时，只有接收者的信号强度高于窃听者的信号强度，才可以进行信号的保密传输。并且，有相关学者对同步无线信号以及功率传输系统进行相关的实验，进一步得到一种人工噪声波束形成矢量的计算方法，这样就可以保证传输的安全性。

2.4物理层密钥生成

物理层密钥以无线传播为主，利用物理层特性生成了物理层密钥，其中的物理层特性主要包括衰落幅度和相位。对物理层的密钥生成技术的研究开端，可以追溯到90年代中期，在此期间，有学者证实了无线信道中的可能性，即 CSI 可以生成密钥。基于这一原理，在随后的研究中发现，两个传输用户之间存在着密钥，同时这些密钥是可以借助无线信道随机生成的密鑰，可以被广泛应用于不同的场景中，并且此方案具有较大潜力。

除此之外，在密钥生成之后的密钥扩展活动中，混沌发生器也逐渐兴起，并且被使用到各种加密场景当中。后续提出来的非线性混沌系统，也是根据混沌初始系统发展过来的。在之后的研究实验中，又有学者将混沌系统扩展为非线性项拓扑结构，并且，进一步将非线性拓朴结构扩展为逻辑离散的混沌映射，逻辑离散的混沌映射可以变换逻辑音色的尺度，使得有序的状态转变成混沌状态。基于该方案提出后续就可发展出更多有关的混沌加密方法。

2.5物理层加密技术

对于物理层的加密技术可以理解为在物理层能够实现的加密方案，也是对物理层安全的保障技术。并且，对于物理层的加密需要密钥进行保护，同时，在通讯系统中，数据会在物理层中经过多个不同的阶段进行传输，因此可以在多个阶段中加入加密手段来对数据进行物理加密。针对不同物理层的调制技术会使用不同的物理层加密技术方案。XOR加密技术是现阶段最直接的方案，可以有效地运用在硬件中。使用相移键控也可以进行相位的加密，保护整个数据包的安全。同时现阶段在研究对信道编码进行加密的技术，在传统的认知中，认为码与加密都为各自独立的模块，但是现阶段有许多学者致力于如何将信道编码与密码结合起来，从而对信道编码进行加密，进一步提高传输的速率。

三、物理层加密传输技术中关于密钥生成技术

3.1密钥生成计制

在传统的密码加密学中，保密通信主要由密钥结构、加密算法以及共享密钥构成。但是在现阶段的网络环境中，由于传输阶段的多变、网络状态的多变，都会加大密钥共享工作的难度，因此针对物理层的密钥共享以及提取，就有大量的学者展开研究，并且也得到多个优化的方法。在优化的方法中，都有一个相似点，那就是都使用了无限衰落信道进行随机密钥的提取。由于无限衰落信道的特殊性，可以使得提取出的密钥更加的复杂，进一步减少在密钥处理工作中的难度。并且，在使用无限信道提取出的密钥更加的安全。

3.2密钥的提取

密钥的提取工作主要依据于无线信道的特征，也就是在进行信息传输的工程中，在传输之前对无线信道的特征进行检测，将检测得到的特征数据进一步转化为对通信信息进行保密的密钥协议，只要在对密钥的保密程度进行加强，发送给接收端之后，接收端收到密钥再对密钥进行提取，就可以得到共享的安全密钥。因此，在传输的过程中，可以把无线信道作为密钥的提取随机源，具有短时互易性、时变性、空时唯一性等特点。短时互易性可以有效地保证传输双方的信道相干时间相同，能够使得双方在同一个时间段内提取到相同的信道特征;时变性是指能够在传输的过程当中，在不同的时间段，双方能够共享到由于时间不同而产生不同的密钥，这样才可以在传输过程中，密钥随着时间进行更新，保证传输过程中密钥的随机性;空时唯一性能够使进一步确保窃听者无法截获通信特征，这样就能够进一步确保密钥的安全性。

3.3密钥提取性能评价标准

在密钥提取过程当中，需要对密钥的提取性能进行评价，主要的评价标准包括以下几点：生成速率、不一致率、随机性。信道的条件高低决定着密钥生成率的高低，其具体所代表的是在单位时间内提取出的密钥比特数目;密钥不一致率指的是通讯双方获得的初始密钥中，不一样的密钥数目占总体密钥数目的比例，并且不一致率越低，密钥提取的同步效率越高，在密钥协商过程中，需要进行交互的信息能够有效的减少，因此被攻击者获取的传输信息内容就越少;要保证传输过程中密钥的随机性，就需要对加密系统进行严格的要求，在密钥提取性能的评价标准中，衡量密钥提取质量的重要指标就是随机性。现阶段使用的随机性指标共有16项，可以根据相对应的测试算法进行随机性的测试。

四、物理层加密传输技术中关于物理层的加密技术

在密码学中，物理成加密信号变换空间为复数集，这一概念可以由信号变换空间进行推断。并且由于加密信号的变换空间是复数集，这样可以使信号在进行不规则变化活动时更加方便容易。在进行传统的调试中，可以利用混沌理论生成密钥，之后再利用信息进行旋转实现对信息的保护。在这基础之上，现阶段的物理层信号加密方式逐渐提升为从最低层开始，进一步对传输的信息进行隐秘调制工作，使得传输过程中的密文信号空间能够扩大，有效的提高传输的安全性。同时分析物理层安全技术中的加密手段可以看出，对信号的加密方法主要就是在传输信号中加入噪声信号与衰落信号，这样窃听者受到衰落信号噪声信号等影响，很难获得传输的密钥。

结束语：在无线网络的协议结构中，由于不同的协议会出现不同的安全问题，因此，针对现阶段的5G或未来的6G通讯技术发展情况之下，应该加大对传输信息的安全元素强化力度，进一步保证传输信息的安全元素丰富性，使得传输信息提取更加便利。同时在现阶段5G通信环境中，使用物理层安全技术作为其核心的安全技术是大势所趋，这样才可以在保证传输功能完整的前提下，进一步减少窃听者对传输信息的攻击。

参  考  文  献

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