物理层安全技术研究现状与展望

物理层安全技术的研究正逐渐成为信息安全和无线通信两个领域的交叉热点。回顾了物理层安全技术的背景和研究现状,并对其未来的发展进行了展望。物理层资源的多样性和惟一性等特征以及十几年来物理层传输技术的涌现和发展,为物理层安全技术的研究开展提供了广阔的空间。目前物理层安全技术的研究以引入各种新技术之后的窃听信道容量分析为基础,并且已经出现了物理层鉴权技术、物理层密钥产生技术和物理层加密技术等新兴的研究方向。     

一种多天线信道特征投影物理层安全编码算法

针对现有安全编码设计方法对信道条件依赖性强、收发无法共享随机性等问题,该文提出了一种多天线信道特征投影物理层安全编码算法。在满足信道互易性的时分双工系统中,多天线发射机根据单天线接收机发送的训练符号估计信道得到授权信道特征,利用信道特征投影生成投影矢量对,发射每个符号时随机选择投影矢量作为发射权重矢量,窃听接收机由于还原码字的汉明距离发生随机置乱而无法正确译码,从而实现安全传输。仿真结果表明：该算法使窃听者的误比特率接近0.5,授权接收机的误比特率较已有多天线物理层安全传输方法低一个数量级。     

恶意和善意拥塞下的物理层安全性能研究

无线通信的广播特性,使得无线通信的物理层安全成为热点问题之一。拥塞节点可以帮助转发信息或干扰窃听者,也存在帮助窃听者的可能。文中以四节点的通信系统模型作为研究对象,分别研究了干扰窃听的友好拥塞和帮助窃听者的恶意拥塞的物理层安全性能,并进行了仿真分析。结果表明不同行为对安全容量有明显的不同影响,同时,存在对阻塞行为不敏感的安全和恶意区域。     

无线通信物理层安全技术探究

物理层安全包含密钥协商、信道编码、协作干扰等技术,涵盖无线通讯范围的各种技术,以窃听信道模型为基础。本文分析了物理层安全技术的技术背景阐述了该技术研究现状,对于关键技术细节进行了介绍,并分析对比了其中的一些技术方案。     

有限字符输入的空间调制物理层安全传输方法

针对有限字符输入系统的无线物理层安全传输问题,提出了一种空间调制安全传输方法。该方法以信息论为基础,利用多输入多输出(MIMO,multiple-input multiple-output)系统的接收天线索引承载信息,通过切换接收天线随机化窃听者的等效信道,保证物理层安全传输。首先分析了该空间调制传输系统中合法用户和窃听者的不同接收性能。然后计算出安全传输系统的保密互信息,指出获取正的保密互信息的2个充分条件。最后给出信道互信息的估计算法,并利用有限字符集的对称性进一步降低了计算复杂度。理论分析和数据仿真验证了该安全传输方法的可行性和有效性。     

基于BCH码的无条件安全通信秘密编码

无条件安全通信系统利用信道的噪声特性,不需要像传统安全通信系统那样,必须有一个绝对安全的信道来进行密钥分发、密钥管理。秘密编码是无条件安全通信系统的关键技术,通过对最优检错码的二进制本原BCH码以及非最优检错码的二进制本原BCH码构造的秘密编码进行研究,给出秘密编码方法和秘密条件,最后进一步对其性能进行仿真,最终发现纠错编码中的最优检错码将是一类非常好的秘密编码,在无条件安全通信系统有很大的运用价值。     

面向物理层安全的一种打孔极化编码方法

为了解决物理层安全编码中安全性和可靠性之间的矛盾和提高保密速率,该文提出一种基于打孔极化码的安全编码方法。根据信道极化理论,该方法将私密信息位映射到合法者正常接收而窃听者无法译码的特定逻辑信道输入位,保证私密信息可靠且安全传输。然后,通过分析极化码的校验关系树,利用3个参数表征输出节点对私密信息位的影响,再按照影响程度大小确定打孔位置。理论分析与仿真结果表明,该方法保证私密信息传输安全性和可靠性的同时,提高了私密信息传输的有效性。     

基于二维信息修正减小LDPC码安全间隙的译码算法

该文通过分析安全编码的原理推导了安全间隙约束条件下高斯窃听信道保密速率的计算方法,并根据置信传播(Belief Propagation, BP)译码算法及其改进算法,针对基于中短码长LDPC码所设计的安全编码提出一种2维信息修正的分类归一化最小和译码算法。该算法先将输入校验节点信息绝对值分成最小值和次小值两类,然后在译码初始化时利用概率统计理论分别推导出相应的最佳归一化因子对分类后的信息进行修正。仿真结果表明,该算法在高信噪比区域的译码性能高于BP算法和归一化最小和算法,低信噪比区域误比特率迅速逼近0.5,且能减小不同安全编码速率LDPC码的安全间隙,提高了保密信息安全传输的性能。     

物理层安全的随机波束成型传输算法

针对传统信息论物理层安全研究中,对合法用户信道质量要求较高的问题,文中提出随机波束成型的物理层安全传输方法。该方法通过在主信道特征向量的垂直方向构造人工随机波束成型信道,使得合法用户与窃听方信道传输特征的差异性转化为信道质量的差异,最终得到正的保密容量。为保证算法的完备性,文章解决了三方面问题:1）给出随机波束成型的空间构造方法;2）随机波束成型方法的保密容量和最佳信源分布;3）人工随机信道的构造方法。最后针对采用随机波束成型算法的发送分集系统,通过设计、仿真其噪声发生和功率分配方案,进一步说明即使在合法用户信道质量差的情况下,随机波束成型传输算法也可获得保密传输容量。      

多天线多载波系统物理层安全研究进展

无线通信传播媒介的开放性,使得无线通信的安全问题无处不在,并且成为了无线通信网络的重要研究课题。而物理层安全技术是指在物理层利用无线信道的随机特性,通过调制编码等技术实现信息的保密传输目标,是未来实现无线网络安全的重要技术分支。随着物理层先进传输技术——多天线、多载波技术的广泛采用,为物理层安全技术提供了更多的可行方案。针对多天线多载波技术推动的无线物理层安全研究最新进展,重点介绍了正交频分复用系统采用时域人造噪声提高安全速率的新方法,最后对未来无线物理层安全的若干潜在研究方向进行了展望。     

多天线系统中面向物理层安全的极化编码方法

该文提出一种基于多输入信道最大容量差映射的极化安全编码方法,通过适当降低信道极化速度达到提高安全传输速率的目的。首先,利用信道极化结构,将极化后的逻辑信道按信道质量划分为好信道与差信道两类;然后,通过具体的逻辑信道删除率迭代分析,提出一种能够有效提升差逻辑信道容量并降低好逻辑信道容量的最大容量差信道映射方法,达到降低信道极化速度的目的;最后,利用加权修正合法信道与窃听信道最大容量差映射结果,实现多输入信道下的极化安全编码。仿真结果表明,在极化阶数n=9的二进制删除信道下,所提方法相比随机映射与Arikan方法,安全传输速率分别由0.029, 0.004提升到了0.042,并且所提方法同样适用于衰落信道场景。     

高斯Wiretap模型下基于部分陪集的无线物理层强安全编码

针对无线物理层安全编码不能保证信息在有噪信道下进行强安全传输的问题,该文提出一种基于部分陪集的强安全编码方法。首先证明了当且仅当陪集母码的对偶码的最小汉明距离大于信息泄露位数时,利用部分陪集编码能够保证信息的强安全传输;然后证明了陪集编码的一系列性质,基于这些性质可以将陪集间最小汉明距离计算降低为1次查表运算,进而设计了一种基于树形深度优先的最大可用陪集集合搜索算法;最后分析得出一些典型线性分组码的抗窃听信道信息泄露和抗合法信道传输噪声的能力,以及相应的最大可用陪集集合。当陪集母码为BCH(15,11)的对偶码时,与传统陪集编码方案相比,该方法对合法信道的信道质量要求降低了5 dB,同时能够保证信息传输的强安全性。     

车载移动通信网(VANET)物理层安全问题

基于Ad Hoc网络的车载移动通信网(VANET)由于网络基础的原因,以及VANET自身的特点,带来了很多安全的问题。根据VANET的特点,对VANET进行自顶向下的分层,并针对物理层的攻击进行总结和归纳,再利用现有技术对其中一些攻击给出应对措施。底层的物理层安全的保证对整个VANET的安全至关重要。     

Joint Beamforming and Jamming for Physical Layer Security

In this paper, we consider a joint beamforming and jamming design to enhance physical layer security against potential multiple eavesdroppers in a multiple‐input and single‐output cellular broadcast channel. With perfect channel state information at the base station, we propose various design approaches to improve the secrecy of the target user. Among the proposed approaches, the combined beamforming of maximum ratio transmission and zero‐forcing transmission with a combination of maximum ratio jamming and zero‐forcing jamming ( with ) shows the best security performance because it utilizes the full transmit antenna dimensions for beamforming and jamming with an efficient power allocation. The simulation results show that the secrecy rate of this particular proposed approach is better than the rates of the considered conventional approaches with quality‐of‐service and outage probability constraints.     

基于稳定匹配的认知无线网络协作物理层安全机制

在Underlay认知无线网络中,次用户被允许在主用户进行数据发送时接入主用户的频谱.此时,主用户将对次用户和窃听者造成干扰.利用协作干扰技术,主用户产生的干扰可以被用来改善次用户的物理层安全.基于此,本文针对包含多个主次用户的Underlay认知无线网络,提出了一种新的协作物理层安全机制.为了在保证主用户通信质量的前提下,最大化网络中次用户的总的安全容量,该机制将对次用户进行合理的频谱接入选择和功率控制.另外,考虑到个体理性和自私性对于频谱接入稳定性的影响,该机制利用稳定匹配理论将频谱接入选择问题建模为一对一的双边匹配问题,通过构建主次用户之间的稳定匹配来保证频谱接入的稳定性.仿真结果表明,使用本文所提安全机制,可以在保证主用户通信质量的前提下,稳定而又有效地改善网络中次用户获得的总的安全容量.     

5G通信背景下物理层安全技术研究

5G通信技术的迅速发展给通信安全提出了更高的要求,作为无线安全的颠覆性革命技术,物理层安全(Physical Layer Security,PLS)技术是实现安全与通信一体化的关键手段。物理层安全技术的本质是利用无线信道特性的内生安全机制,为"一次一密"提供一种可行思路。首先,对通信系统的各协议层以及不同协议层存在的安全威胁和漏洞进行了简单介绍;接着,针对物理层存在的安全问题,对目前所使用的物理层安全研究方向进行了总结和描述;最后,基于物理层密钥生成技术和物理层加密技术,提出了可采用的安全方案,着重介绍了基于调制的物理层加密技术和基于编码的物理层加密技术,从而保证系统的安全性能。     

认知无线电物理层安全研究

通过分析认知无线(CR)物理层面临的安全问题,提出了动态跳频扩谱通信机制,并将跳频通信引入认知无线电体系,提高了认知无线电系统的安全性。     

A Distributed Implementation Algorithm for Physical Layer Security Based on Untrusted Relay Cooperation and Artificial Noise

In this letter, we consider a cooperation system with multiple untrusted relays (URs). To keep the transmitted information confidential, we obtain joint channel characteristics (JCCs) through combining the channels from the source to the destination. Then, in the null space of the JCCs, jammers construct artificial noise to confuse URs when the source node broadcasts its data. Through a distributed implementation algorithm, the weight of each node can be obtained from its own channel state information. Simulation results show that high‐level security of the system can be achieved when internal and external eavesdroppers coexist.