物理層安全技術及其在保密通信中的應用

摘 要隨著當今電子技術的快速發展，保密通信已經在整個現代電信系統中得到了廣泛應用，然而在通信過程中怎樣保證密鑰不被識破成為非常關鍵的問題，當前在網絡、金融行業中密鑰的安全性主要利用數學計算進行保證。基于此，文章首先針對常見的物理層安全技術概念進行了簡單闡述，然后帶著對這些概念的了解，對物理層安全技術及其在保密通信中的應用進行了深入分析，希望可以為大家提供一些參考。

【關鍵詞】物理層 安全技術 保密通信

一直以來無線通信系統的可靠性一直被人們所研究，可見保證無線通信的安全性是多么的重要。傳統保密手段主要以現代密碼學作為理論上的基礎，利用加密算法及密鑰對信息進行加密，但是隨著計算機計算能力的快速發展，這種保密通信方式很快失效，加上物理層安全技術王權依賴物理性的固有特性，來實現保密通信，這樣才能保證其更好的可靠性與安全性。

1 概念解析

無線通信系統中有很多專業的概念，只有大家了解了這些概念的基本意義，然能對相關物理層安全技術及在保密通信中的實際應用進行進一步的分析，下面我們就幾個常見的概念進行分析。

1.1 分層協議結構

所有通信系統都是以如何完成通信可靠性、安全性、有效性來實現優化的。通信的可靠性指傳輸過程中對各種客觀自然干擾能力進行抵抗的能力，同時在它在軍事通信過程中，通常還包含抵抗人為設置干擾的能力；通信的安全性指傳輸過程中安全保密性能，也就是有關接收端防竊聽以及發送端篡改等相關能力；通信的有效性指盡可能占有較少的時隙、頻段及功率條件下，盡量傳輸多一些的信源信息。

物理層安全技術和以往的技術不同，主要利用無線信道的特性來實現有效的安全通信。因為無線信號傳播具有開放性特點，其安全性面臨著很多安全上的漏洞，具體可以從以下幾方面分析：

（1）無線信道擁塞很容易會發生，攻擊者會利用人為的方式使信道擁塞，通過這種方式來阻止合法用戶與網絡相連接，通常這種威脅是很難抵抗的。

（2）如果不能形成鑒權機制，那么攻擊者就會未經授權即與網絡資源相連接，進而得到涉密信息。

（3）由于無線傳輸介質本身具有開放性特點，竊聽者往往不需要利用先進設備就可以獲得傳輸信號。

1.2 保密容量

與主信道相比如果竊聽信道的質量比較差，那么總會找到信道編碼使用戶可以正確解調，竊聽者不能從得到的信號中獲得任何信息，通過這種方式來達到保密狀態。通常這種編碼方式碼率都會存在上限，即保密容量。合法信道和竊聽信道之間信道容量之差即為加性高斯信道保密容量。隨著近年來學術界對多天線信道、衰落信道等模型保密容量的研究，最終發現，衰落、干擾及多天線實際上都對保密信道帶來了正面影響。

2 物理層安全技術及其在保密通信中的應用

物理層安全是指充分利用物理信道的互易性及唯一性，來實現信息加密，對合法用戶與竊聽者進行有效區分，通常它是作為上層安全的一種有效補充存在的，可以使整個系統的安全性能得到提升。

2.1 物理層密鑰的應用

無線信道本身具有互易性、唯一性等特征，在短時間之內收發雙方觀察到的信道特征函數是一致的，如果利用鏈路信道狀態信息作為密鑰，那么收發雙方則不需分發和管理密鑰，直接保密通信。當前我們主要利用無線信道特征對密鑰進行產生、管理及分發，同時充分結合傳輸技術及傳輸系統來產生密鑰算法。這種方法中存在的問題在于，因為收發雙方對信道的估計存在一定差異，如果可以將差異控制在一定范圍，那么這種估計誤差則不會影響密鑰。

2.2 安全編碼技術的應用

不管任何編碼方式其目的都是一樣的，在保證用戶通信可靠性的基礎上，使竊聽者在比用戶信道情況稍差的情況下，不能對信息進行可靠性辨識。經過一系列的研究發現，糾錯碼、極化碼等經過適應性改變以后，都會達到保密容量極限，通常情況下保密容量信道編碼都是安全編碼。除此之外，代數預編碼、空時編碼等經過特殊設計以后，都能與保密信道容量相逼近。

2.3 協作干擾技術的應用

在整個竊聽信道模型中，只有竊聽信道信道容量比合法信道小，這樣才能保證保密容量的存在，協作干擾技術應用的作用在于引入差異化干擾，這樣竊聽信道噪聲水平就可以比合法信道高。人工加噪的方式其核心思想在于利用天線發送信號，人工噪聲和合法信道中信道特征函數為相互正交的狀態。經過隨機擾動以后對發送信號乘以加權系數，那么就可以得到常熟，也就是說竊聽信道系數是隨機發生變化的。總之，通過這種方式可以使竊聽信道噪聲水平高于合法信道，也就是說竊聽信道的質量沒有合法信道信道的質量好，因此竊聽者即使可以獲得信號，也不能從信號中提取出有用的信息。

2.4 其他技術的應用

除了以上技術以外，還可以利用物理層信號細微特性對硬件設備的唯一性進行識別，通過這種方式也可以達到設備鑒權的作用，例如在雷達系統及衛星通信中應用射頻指紋技術，同時與傳感器網絡相結合，這種情況下可以充分利用無線信道特征對竊聽者與合法用戶進行區分。

當前對信道估計技術的研究主要在基于信道估計準確層面上，也就是說一些信道的信息是確知的，經過大量研究發現，信道相位可以影響保密性，至于怎樣對信道相位估計的準確性進行提高，或者說怎樣在相位估計不準確的前提下，充分保證保密性能，這是未來研究的重要方向。

3 結語

綜上所述，當前無線網絡已經逐漸在民用通信及相關保密通信系統中取代了有線傳輸網絡，然而利用無線媒質對信息進行傳輸的過程中，竊聽、擁塞等問題不可避免會發生。基于此，本次研究主要針對物理層安全技術在無線網絡中的應用展開分析，并分別對現有的物理層安全技術進行了說明，供大家參考。

參考文獻

[1]鐘藝玲，穆鵬程.單發多收無線竊聽信道中的自適應保密速率傳輸方案[J].西安交通大學學報，2015（04）：104-109.

[2]邱詠明，劉菲，萬程騁.無線通信網絡物理層安全風險及其防護技術研究現狀分析[J].保密科學技術，2015（07）：30-33.

[3]李雪梅，夏倫月.現場總線及其安全技術在鐵路通信系統中的應用[J].科技資訊，2014（04）：13-14.

作者簡介

曹文毓（1993-），男，陜西省西安市人。西安文理學院機械與材料工程學院12級教育物理專業在讀本科學生。

作者單位

西安文理學院機械與材料工程學院 陜西省西安市 710065