無線通信物理層安全技術研究與展望*

張子平，郭道省，張亞軍

(解放軍理工大學 通信工程學院,江蘇 南京 210007)

無線通信物理層安全技術研究與展望*

張子平，郭道省，張亞軍

(解放軍理工大學 通信工程學院,江蘇 南京 210007)

無線通信在快速發(fā)展的同時，其安全性也日益受到人們的重視。物理層安全技術的出現，為無線通信系統(tǒng)信息安全開辟了新的途徑，且在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中具有廣闊的應用前景。對幾種常見的物理層安全技術進行介紹，指出進一步的研究方向，并著重對其在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應用進行闡述與展望。最后，利用信道的衰落特性，結合安全編碼，提出在移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)中實現通信信息安全的一種新思路。

無線通信；物理層安全；衛(wèi)星通信；安全編碼

0 引 言

無線通信系統(tǒng)因其廣播特性，在信息傳輸過程中更易被第三方截獲及竊聽，造成信息的泄密。當前，無線通信系統(tǒng)的安全機制仍建立在物理層之外的多層協(xié)議上。然而，完美的傳輸鏈路往往難以實現，用以傳輸密鑰的信道也難以保證安全性。因此，當物理層不可靠時，傳統(tǒng)加密方法的安全性將難以有效保證。于是，物理層安全方法逐漸成為人們研究的熱點。

無 線 通 信 物 理 層 安 全（Physical Layer Security）主要利用傳輸鏈路的動態(tài)物理特性，通過信號處理、通信協(xié)議以及編碼調制等技術，避免竊聽方獲知信息，同時向通信方提供安全可靠的、可量化的通信。物理層安全理論源于Shannon提出的安全加密模型[1]。Shannon在模型中假設信道能實現無差錯的傳輸，收發(fā)雙方對傳輸信息采取“一次一密”的加密方式。為了確保通信的絕對安全，密鑰應是無重復、無限長的，致使密鑰信息量遠遠大于傳輸數據的信息量，因此在實際系統(tǒng)中無法實現。Wyner[2]在Shannon加密理論的基礎上，于1975年提出竊聽信道（Wiretap Channel）模型，并指出若竊聽信道的接收信噪比低于合法接收信道的接收信噪比，則系統(tǒng)的安全容量必大于零，且存在某種編碼方法，在保證竊聽者無法獲取任何信息的條件下，系統(tǒng)能以不高于安全容量的傳輸速率確保通信的絕對安全。此后，基于上述理論的物理層安全技術得到蓬勃發(fā)展，為實現通信信息安全開辟了新的道路。

作為重要的無線通信方式之一，衛(wèi)星通信以其可實現全球無縫覆蓋、組網靈活、廣播應用優(yōu)勢明顯、資源共享等諸多優(yōu)勢，日益受到人們的青睞。隨著無線通信技術的迅猛發(fā)展，衛(wèi)星通信被廣泛應用在民用及軍用領域，可提供寬帶多媒體、衛(wèi)星廣播、衛(wèi)星互聯(lián)網等業(yè)務。然而，衛(wèi)星通信的大范圍廣播特性也使通信信號更易被非法用戶竊取。隨著物理層安全技術的發(fā)展，衛(wèi)星通信物理層安全研究有望解決廣播過程中的信息截獲問題，從而進一步增強通信安全。

本文將綜述幾種常見的物理層安全方法，并對衛(wèi)星通信物理層安全研究進行概述和展望。

1 物理層安全方法

當前，物理層安全技術研究主要從信息論、傳輸優(yōu)化及功率資源分配等方面開展。前者主要研究系統(tǒng)的保密容量理論；后者則主要研究人工噪聲、波束成型、安全編碼及其他利用信道特性的物理層安全技術。

1.1 人工噪聲

人工噪聲AN（Artificial Noise）能有效增強系統(tǒng)安全性，在對竊聽者造成極大干擾的同時，保證合法接收者的正常通信。在發(fā)射端添加適當的人工噪聲，以犧牲部分發(fā)射功率為代價，可人為增大竊聽者與合法接收者之間的信道質量差距。因此，即便合法接收者的信道噪聲強于竊聽者，安全傳輸仍可能實現。

使用人工噪聲技術時，將AN疊加在攜帶保密信息的信號上，發(fā)射端信號可以表示成：

式中，a為攜帶信息的信號矢量，a為人工噪聲矢量。在竊聽端信道狀態(tài)信息CSI（Channel State Information）未知的情況下，AN的引入能有效惡化竊聽端的信道質量，但同時也會降低數據的傳輸功率，且可能在主信道產生噪聲泄露，進而降低合法接收端的信干噪比。

文獻[3]討論了在已知接收端CSI的條件下，由發(fā)射端產生AN的情況。由于AN投影在接收端的零空間，因此AN對接收端的接收信號沒有影響，而可對竊聽端的信號產生強烈干擾。但是，該方法實現的前提是接收端CSI準確獲得，而這在實際中往往難以實現。

此后，針對衰落信道、高斯對稱干擾信道和離散無記憶信道的AN設計方案也分別被提出。其中一種方案是，假設接收端在接收信號的同時，均勻發(fā)送AN，則無需得知發(fā)射者Alice與合法接收者Bob間的CSI，即可使信道容量達到無竊聽者時的容量[4]。但這些方案大多沒有考慮竊聽者的具體攻擊方式，在實際應用中受到了較大的限制。

1.2 波束成型

波束成型是使一個數據流在多個天線上以秩為1傳輸，而預編碼是在多個天線上同時對多個數據流進行多秩傳輸，因而可認為波束成型是預編碼的特例，在設計上更加簡單和直觀。波束成型的核心思想是在各個陣列輸出的基礎上，通過加權求和形成發(fā)送的天線波束，并最優(yōu)化天線陣各天線單元的加權向量，提高信號的輸出信噪比，以達到抑制干擾和實現保密通信的目的。

為實現物理層安全，通常的方法是設計有效的信道，以增大Bob與竊聽者Eve間的信號質量差異。若充分利用波束成型，則能得到Alice與Bob之間的最大保密速率。考慮合法接收端配備多天線 的MIMOME（Multiple-Input Multiple-Output and Multiantenna Eavesdropper）場景，保密信息經過預編碼后，可被空間復用至多個獨立的子信道上，此時的發(fā)送信號矢量可表示為

當發(fā)射信號位于竊聽者的零空間時，Bob與Eve之間將出現最大的信號質量差異。然而，實際中，Eve的實際CSI難以精確獲得，CSI的偏差也對波束成型向量的設計存在較大影響。

1.3 協(xié)作干擾

由于發(fā)射端的發(fā)射功率有限，而現實場景中的無線通信系統(tǒng)大部分是長距離的，因此往往需要采用協(xié)作通信技術。協(xié)作通信的核心思想是，Alice先將信號發(fā)給中繼站，再由中繼站發(fā)往Bob。文獻[5]首次提出基于協(xié)作中繼思想的竊聽信道分析，文獻[6]在多中繼條件下對安全速率進行了研究，文獻[7]則討論了不同中繼模式下的安全速率差異。近年來，基于無線多接入信道的竊聽信道模型也有了一定的研究進展。

中繼節(jié)點除了具備中繼轉發(fā)功能外，還可作為協(xié)作干擾節(jié)點。通過發(fā)送人為干擾，降低竊聽端的接收信噪比，提升系統(tǒng)的安全性。文獻[6]在不同協(xié)作機制下，推導出可最大化安全容量的中繼信息加權向量。文獻[8]和文獻[9]則分別基于多天線、雙向中繼協(xié)作機制，結合其他物理層安全方法，在理論上證實了協(xié)作干擾可提高系統(tǒng)的安全容量。

協(xié)作干擾技術中常用的干擾信號有三類：高斯白噪聲、其他信源的發(fā)送信號以及合法接收端已知的信號。高斯白噪聲雖然易于產生及實現，但在干擾竊聽者的同時，也會影響合法接收者的接收性能，因而對系統(tǒng)安全容量的提升作用不大。若利用其他信源的發(fā)射信號，雖然能節(jié)省大量的發(fā)射功率，但實現過程較為復雜，且可能對其他信道產生依賴，因此安全穩(wěn)定性較差。當前，使用最多的是合法接收端已知的信號，其主要優(yōu)點是在降低竊聽端接收性能的同時，不會對主信道的狀態(tài)造成影響。但接收端也需要采用消除信號的合理方法，因而也具有一定的復雜度[10]。

理論上，協(xié)作干擾可應用于所有的竊聽信道模型。基于中繼模型的協(xié)作干擾也是當前的一大研究熱點。文獻[11]研究了中繼干擾方案的選擇問題。文獻[12]則對雙向中繼、多中繼場景下的安全容量進行了相應的研究。

1.4 差異化信道估計

在信道估計階段，通過限制竊聽端對CSI的估計性能，可以降低在數據傳輸階段竊聽端的有效信噪比SNR，弱化其對信息的破譯能力。該思想主要通過差異化信道估計DCE（discriminatory channel estimation）方案實現。

具體做法：將AN插入訓練信號，惡化竊聽端對CSI的估計性能，其中AN需要盡可能安插在Alice到Bob信道的零空間內。為此，Alice必須首先獲得該信道的先驗信息。此方案的難點在于如何使Alice獲得足夠的信道先驗信息，盡量避免對竊聽者有利的情況。當前，針對DCE的研究方案主要有兩種：一是反饋與再訓練DCE方案[13]；二是雙向訓練方案[14-15]。圖1為DCE方案中人工噪聲輔助訓練示意圖。

圖1 DCE方案中人工噪聲輔助訓練示意

文獻[13]基于無線MIMO信道，提出了基于多階段訓練的DCE方案，旨在最優(yōu)化合法接收機（LR）的信道估計性能，同時限制未授權非法接收機（UR）的估計性能。核心思想是利用每個階段開始時LR反饋的信道估計信息，將AN合理插入訓練信號中。若LR信道的先驗信息已知，AN就可與訓練數據合理疊加，在惡化UR信道的同時，減小對LR用戶的干擾。該方案可以區(qū)別電視廣播系統(tǒng)中的用戶（如付費與未付費），還可應用于保密通信中的抗竊聽等場合。

文獻[14]對上述方法加以改進，提出一種雙向訓練方案：接收端發(fā)送初始訓練信號，發(fā)射端通過信道估計獲取主信道的CSI。與此同時，竊聽端接收到的信號僅包含接收端到竊聽端之間的信息，巧妙地使竊聽者在初始訓練階段無法獲得良好的信道估計。

需要注意的是，上述雙向訓練方案僅當信道滿足互易性條件時才可實現，否則發(fā)射端無法通過反向訓練獲得前向信道的信息。針對這種情況，可考慮采用全程訓練方案，即發(fā)射端廣播一個隨機訓練信號，接收端利用放大前傳策略將信號反饋回來。由于僅發(fā)射端知道該訓練信號的信息，因而竊聽端無法改善自身的信道估計。雙向DCE方案可以有效減小報頭開銷，但其性能受接收端可獲得功率的約束。

上述方案針對的均是被動的竊聽節(jié)點。若竊聽節(jié)點主動攻擊訓練信號，這些方案大部分將失去作用。文獻[15]基于半盲方法中的白化和旋轉（WR）方法，提出一種新的雙向訓練方案，并對訓練信號功率和AN功率進行了最優(yōu)化設計。結果表明，相比基于LMMSE信道估計器的DCE方案，基于WR的DCE方案的性能更為優(yōu)異，且當竊聽者主動利用訓練信號進行攻擊時，表現更為穩(wěn)健。

盡管上述DCE方案面向MIMO系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)大多只是利用多個分布式節(jié)點（如網卡）構成的虛擬MIMO系統(tǒng)。目前，基于實際大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，在信道估計階段對物理層安全技術進行驗證的研究尚未開展，其中相關信道的問題，更是一項值得研究的工作。

1.5 網絡編碼

近年來，物理層網絡編碼成為學術界一大研究熱點。Ao等人提出有限域上物理層網絡編碼與信道編碼聯(lián)合設計的思想，在加性高斯白噪聲場景、誤比特率為10-5時，獲得了2.1 dB的性能增益[16]。Li等人在協(xié)作中繼場景下，基于復數域上網絡編碼的信號疊加轉發(fā)機制，結合功率分配及預編碼設計，證實該機制可獲得更好的性能[17]。

實現物理層安全的關鍵之處在于安全編碼方案。所有的編碼方式，都希望保證合法用戶的通信安全性，使竊聽用戶在信道狀態(tài)弱于合法用戶時，無法得到可辨識的信息。信道編碼不僅可用于糾錯，還可用于公開密鑰加密系統(tǒng)。它與加密體制的一體化設計，可同時滿足通信可靠性及安全性的要求，減小系統(tǒng)開銷及資源需求，并能提高處理速度。然而，若沒有對糾錯與加密的結合進行良好的設計，系統(tǒng)的可靠性和安全性將同時下降，這也成為一個相當棘手的問題。

一般地，將可實現保密容量的信道編碼稱為安全編碼。許多信道編碼如極化碼、格型編碼等，經過一些適應性的改變，能夠逼近保密容量的極限。其中，應用最多的是低密度奇偶校驗LDPC（Low Density Parity Check）碼。LDPC碼實質上是一種線性分組碼。它最大的亮點在于其接近Shannon極限的誤碼性能。根據校驗矩陣的特征，LDPC碼又可分為準循環(huán)移位LDPC（QC-LDPC）碼、重復累積碼、規(guī)則碼以及非規(guī)則碼，其中又以QC-LDPC碼最為引人關注。QCLDPC碼結構簡單，可基于相同碼長、度分布構造大量不同的QC-LDPC碼，增加系統(tǒng)的安全性；對編/譯碼的電路結構要求簡單，支持高速加/解密，密鑰開銷小。因此，將QC-LDPC碼應用于McEliece公鑰體制，可得到較高的信息速率，并將加/解密復雜度和密鑰開銷控制在較低程度[18]。當前的相關研究方向主要有兩個：基于LDPC碼加密方案的設計；針對保密方案安全性進行密碼分析及攻擊方法研究。

2 衛(wèi)星通信物理層安全

2.1 衛(wèi)星通信概述

衛(wèi)星通信以頻帶寬、容量大為主要特征，具有覆蓋能力強、穩(wěn)定性高、適用于多種業(yè)務的優(yōu)點，廣泛應用于民用和軍用領域，成為戰(zhàn)場信息傳輸的主要方式之一。與傳統(tǒng)通信方式相比，衛(wèi)星通信具備以下三個主要優(yōu)勢：①超遠距離通信的實現，且通信成本與通信距離無必然關聯(lián)；②以廣播方式工作，使得多址聯(lián)接易于實現；③通信容量大，可同時支持多種業(yè)務傳輸。

然而，在具有諸多優(yōu)勢的同時，由于安全技術層面的制約，衛(wèi)星通信也存在一些安全弱點：①物理通信環(huán)境惡劣，星座網絡位于太空近地軌道，通信鏈路極易受到宇宙射線、大氣層電磁信號等的干擾，遭受截獲、偽造、干擾等惡意攻擊；②衛(wèi)星通信系統(tǒng)是一種具有功率約束的系統(tǒng)，直接制約星上運算的復雜度及通信開銷，致使安全性較高的復雜協(xié)議難以在衛(wèi)星網絡上實現；③網絡的動態(tài)變化使網絡通信實體之間的信任關系不斷發(fā)生改變，從而加大了身份認證、密鑰管理等的難度[19]。

2.2 衛(wèi)星通信物理層安全技術

衛(wèi)星通信物理層安全研究是基于地面無線通信物理層安全研究的成果，并結合衛(wèi)星通信的特點，形成的適用于衛(wèi)星通信的物理層安全技術理論[20]。當前，衛(wèi)星通信仍主要采用上層密碼技術以增強通信安全性，因而也具有傳統(tǒng)加密機制的缺點。若竊聽端的計算能力足夠強大，則仍然無法保證信息的保密性。其次，對信息的加解密需要使用保密模塊，這不僅會加大信號的傳輸時延，還會增加系統(tǒng)的功率負擔，從而在一定程度上影響衛(wèi)星通信的效率。于是，人們開始致力于將新興的物理層安全技術應用于衛(wèi)星通信中，以增強其通信保密性。

2.2.1 多波束衛(wèi)星通信系統(tǒng)下行模型

考慮多波束衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的下行鏈路，其場景如圖2所示。

假設衛(wèi)星系統(tǒng)采用相干方式（如波束成型）對M個天線元進行處理，形成K個波束（K≤M），并為K個用戶提供服務。同時，在波束覆蓋范圍內存在一個被動竊聽者Eve，其與合法用戶均配備單天線。因而，可建模成如圖3所示的多用戶MISOSE（Multiple-input Single-output Single-antenna Eavesdropper）竊聽模型[21]。

圖3 多用戶MISOSE場景

2.2.2 兩種波束成型算法

當前，多波束衛(wèi)星系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)有兩個：功率限制和同信道干擾。采用波束成型方法，通過調整波束圖案，結合功率控制，可以最小化發(fā)射功率或最大化信干噪比，從而提升系統(tǒng)的安全容量。由于多用戶系統(tǒng)的保密容量難以計算，因此可采用最大保密速率來衡量系統(tǒng)的安全性。下面介紹兩種波束成型算法：迫零（ZF）波束成型和增強信噪漏比（E-SLNR）。

ZF波束成型算法的基本思想是使合法用戶間的干擾為零，并且竊聽者的信號泄露為零。對發(fā)送信號進行波束成型加權，可抵消同信道干擾，并將竊聽者的信號泄露置零。此時，求解最大保密速率問題可轉化為求解最佳波束成型矢量以及最佳功率分配問題。

文獻[21]首先求解出最佳波束成型矢量

式中，IM表示M階單位矩陣，

是矩陣 的偽逆。再利用標準注水算法，解得

式中，常數u表示注水高度。

E-SLNR波束成型算法的基本思想則是將合法用戶間的信號泄露與竊聽者的信號泄露統(tǒng)一進行波束成型矩陣設計。定義E-SLNR為合法用戶接收信號功率與泄露信號功率加噪聲的比值，則能得到波束成型矩陣的最優(yōu)解：

仿真結果表明，ZF算法與E-SLNR算法均能增強系統(tǒng)的安全性能，但在用戶數目較大時，E-SLNR算法表現出更好的安全性能[21]。

2.2.3 相關文獻研究

文獻[22-23]研究了多波束衛(wèi)星系統(tǒng)上的功率控制問題。其中，文獻[22]在功率約束條件下，對系統(tǒng)的安全容量進行了優(yōu)化，但這種優(yōu)化相當有限；文獻[23]則針對衛(wèi)星系統(tǒng)的上行階段，討論了聯(lián)合功率和載波分配的問題。文獻[24]采用波束成型，在每個同信道接收端的零空間內發(fā)射信號，較好地克服了同信道干擾問題。此外，在多天線廣播場景下，使用帶權重的迫零波束成型，可消除多用戶間的同信道干擾。

顯然，上述文獻中提出的方案多是對功率控制與波束成型分別進行討論，而沒有研究二者聯(lián)合優(yōu)化的方案。文獻[25]通過功率控制與波束成型，對多波束衛(wèi)星通信系統(tǒng)進行設計，并證明了其可實現安全容量為正的通信。但若在竊聽端CSI變優(yōu)，抑或合法接收端CSI變差的情況下，系統(tǒng)消耗的功率也將大大增加。

2.3 衛(wèi)星通信物理層安全挑戰(zhàn)與展望

雖然面向衛(wèi)星通信系統(tǒng)的物理層安全技術正在蓬勃發(fā)展，但其仍面臨著相當大的挑戰(zhàn)。譬如，由于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的大范圍廣播特性，要想系統(tǒng)獲得非零安全容量，需要保證所有合法接收端的信道條件均優(yōu)于竊聽信道。而在對地靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)中，不同用戶信道差異很小，難以獲得較大的安全容量。在移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，可以利用信道的衰落特性，結合安全編碼來實現安全；而若采用一般的人工噪聲方法，由于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的功率受限，通過星上功率來發(fā)送人工噪聲勢必影響其壽命和續(xù)航能力，因此在實際應用中存在較大的局限性。此外，協(xié)作通信也難以在單星平臺系統(tǒng)中實現協(xié)同。因此，若希望在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中應用傳統(tǒng)的地面物理層安全方法，仍有許多理論和應用方面的瓶頸亟待解決。

目前，物理層安全方法更多的是作為一種安全通信的補充手段。考慮到衛(wèi)星通信系統(tǒng)的特殊性，未來一段時間內，不同通信層級安全技術的聯(lián)合使用和相同通信層級不同安全技術的聯(lián)合使用，將會是大勢所趨。波束成型與功率控制的聯(lián)合優(yōu)化，甚至是與網絡編碼的三者聯(lián)合應用，將是實現衛(wèi)星通信系統(tǒng)物理層安全技術可行化的主要突破口之一。

3 結 語

無線通信物理層安全領域所涵蓋的豐富多樣的技術手段，為提升系統(tǒng)的安全性起到了非常重要的作用。物理層既可依靠上層保密技術的支持和管理，也可通過自身的加密手段輔助上層的安全設計，因而跨層安全設計是一個值得深入研究的問題。當前，物理層安全技術的研究大多處在理論階段，仍需更多的實踐工作才能使其成熟應用于通信系統(tǒng)。而地面物理層安全技術的研究，也為衛(wèi)星通信系統(tǒng)的安全方案提供了新的思路。可見，隨著衛(wèi)星通信的迅速發(fā)展，物理層安全增強的衛(wèi)星通信仍有很多亟待解決的問題和值得研究的工作。

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張子平（1993—），男，碩士研究生，主要研究方向為物理層安全；

郭道省（1973—），男，博士，教授，主要研究方向為衛(wèi)星通信；

張亞軍（1986—），男，博士研究生，主要研究方向為協(xié)同通信、物理層安全、同頻全雙工。

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

國家自然科學基金資助項目(No.91338201)

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