窃听多天线的多用户调度安全性能分析

物理层安全作为一种密钥缺省的安全方案,逐渐成为信息安全和无线通信两个领域的交叉热点,其主要利用物理层传输资源保证合法接收者正常通信,同时抑制窃听信道通信。针对这一特点,提出了基于无线通信网络中窃听用户多天线、发送端多用户调度,合法接收端选择最好用户的模型,这时窃听用户进行随机选择,分析这种情况下主信道信噪比、窃听信道信噪比、安全传输速率以及窃听用户天线数目对系统安全性能的影响。仿真结果表明,窃听信道多天线时中断概率增加,即降低了系统的安全性能,但增加发送端用户数目、降低窃听信道信噪比、增加主信道信噪比可以显著提高系统的安全速率。同时证明,这种方案同随机选择发送用户相比较,切实提高了系统的安全性能。     

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。      

基于时间反演的多用户下行安全传输技术

无线通信是开放的自由空间，窃听用户可能在通信过程中对信息进行窃取.针对多用户下行链路的信息泄露问题，提出一种基于时间反演（time reversal，TR）且采用波束赋形（beam forming，BF）技术优化的安全传输方案.该方案以最大化安全容量为多用户通信准则，建立多输入单输出（multiple-input single-output，MISO）窃听信道模型.一方面基站采用BF技术使信号在指定方向上增强，针对期望用户发送需求信号；另一方面由于TR技术对环境是自适应的，基站的信号在发射之前都要经过TR腔，其空时聚焦性使能量聚焦在合法接收方，保密性能更优.理论分析和仿真结果表明:与已有物理层安全方案相比，所提方案安全容量更高，误比特率更低.     

多播传输模式下的卫星通信安全波束成形算法

与地面无线通信系统相比,卫星通信的广域覆盖特性使得信息安全传输问题成为该领域更具挑战性的研究课题.为了提升多播传输模式下卫星通信系统的物理层安全性能,本文针对不同信道状态信息(Channel State In-formation,CSI)研究了两种安全波束成形(Beamforming,BF)算法.在合法用户和窃听者CS...     

面向物理层安全的广义随机空间调制技术

针对窃听信道质量优于合法信道质量时的物理层安全传输问题,提出了一种广义随机空间调制技术。该技术利用合法信道的瞬时状态信息随机扰乱比特到符号的映射关系,实现物理层安全传输。首先给出了广义随机空间调制系统的收发机结构。然后计算了合法接收用户的误码率上界和系统保密容量。从误码率上界的表达式得出,所提广义随机空间调制系统可靠性与传统广义空间调制相同,由此可在不损失系统可靠性的前提下实现安全传输。保密容量的计算表明,安全通信速率不随窃听方天线增多而下降,因此能抵抗具备海量天线的窃听者。最后用仿真验证理论分析的准确性和所提方案的有效性。     

防内外部窃听的多播物理层安全算法

针对无线多播系统同时存在内、外部窃听者的复杂情况,提出随机化干扰的物理层多播安全传输算法。该算法基于收发天线构成信道的代数空间进行设计:一方面在内部窃听者的信道代数空间方向上不发送信息,另一方面在合法用户信道的正交方向上引入随机干扰信号。这样直接使得内部窃听者接收的信号受到能量削减的同时,非合法用户受到随机化干扰,最终实现了物理层多播信息的安全传输。理论分析和仿真结果表明,算法可同时保证系统内、外部窃听者极高的误码率,从而无法获取信息。     

一种提高多用户MIMO广播信道安全性能的方案

无线通信的广播特性使得信息容易被非法用户窃听,研究多天线抗窃听技术非常重要。多用户MIMO(MU-MIMO)系统采用块对角化(BD)预编码,可以实现下行链路小区用户之间的防窃听,但是不属于下行链路小区用户的恶意窃听者截获到用户的信道信息时,则很容易窃听到发送给用户的信息。文中通过改进物理层技术保证信息数据安全保密的传输,仿真验证该方案具有很好的抗窃听性能。     

一种基于投影的MIMO物理层安全传输方法

为了保证MIMO系统无线传输安全,提出了一种基于投影的物理层安全传输方案。基站在合法信道的投影空间发射相互正交的涉密信号和干扰信号,干扰窃听方恢复信息,同时不影响期望用户接收信号。给出了两种信号保密容量准则下功率分配的迭代算法。通过分析干扰对窃听信号统计特性的影响,证明了对窃听方盲处理造成的不确定度(indeterminacy)。仿真结果表明,该方案具有较高的保密信道容量,在期望用户处获得比已有方案更低的误码率,而窃听方无法正确解调。     

高斯窃听信道中删余Polar码的设计方法研究

本文针对高斯窃听信道模型下的物理层安全问题,提出一种基于删余Polar码的、拥有编码比特的可信度计算的物理层安全编码方案。方案考虑到信道噪声对译码结果的影响,通过Bhattacharyya参数评估各信息比特的恢复差错概率,并将这恢复差错概率应用于编码比特的可信度计算。理论证明所提出的方案可使窃听者保持较高误码率,同时合法用户在高于自身信噪比门限时保证较低误码率。数值仿真结果表明所提出的安全编码方案能够有效地减小安全间隙。当窃听信道质量比合法信道质量稍差时窃听者误码率能迅速逼近0.5,而合法信道的误码率能够降到10-5以下,大大地降低了Bob和Eve间的安全间隙。      

多载波系统随机子载波加权的物理层加密算法

针对多载波传输系统中,基于载波资源分配算法在窃听者信道质量优于合法用户的条件下无法实现安全传输的问题,建立了OFDM系统安全传输模型并在物理层提出了一种随机子载波加权的加密算法。该算法将合法通信双方的信道状态信息作为区分不同用户的唯一特征,并以此在发端为每个子载波数据设置随机加权因子扰乱窃听用户接收的信号,而合法用户能够通过发送参考解调算法恢复数据,仿真结果表明,发端采用该算法进行加密后,合法用户的误比特率随信噪比的增加迅速下降,而窃听用户误比特率始终为50%,系统具有一定的保密传输速率,有效实现了信息的安全传输。     

基于无线信道特征的内生安全通信技术及应用

伴随着信息技术的高速发展,无线通信网络的安全形势日益严峻。数以亿计的设备接入无线通信网络中,针对用户隐私以及基础网络环境的窃听、攻击事件频频发生,无线通信网络的安全问题已成为限制无线通信业务广泛开展的严重障碍。传统认证与加密机制与传输相脱离,以密码算法和分发密钥的私密性为前提,容易受到物理层的攻击。为此,迫切需要深入开展面向物理层的安全机制研究。从无线通信网络的根源出发,面向无线信道的内生属性,研究了基于无线信道特征的内生安全通信架构,并针对此架构提出了基于射频指纹与信道密钥的内生安全通信技术方案。该架构将认证、加密与传输融为一体,从体系结构上增强了防御效果;利用无线信道特征的内生特点,从技术手段上提高了安全性能。     

基于数据云处理的物理特征安全验证系统

与传统加密技术相比，物理层安全技术利用信道噪声实现与明文等长的密钥加密效果，窃听者即使拥有强大的破解计算能力，在没有主信道信息的前提下依然无法破译保密数据，在未来的通信系统中极有可能实现“一次一密”，为无线通信系统提供了强有力的安全保障。提出了基于数据云处理的物理特征安全验证系统，基站和合法用户可以高效获取信道信息，窃听者可凭借云服务器强大的存储及计算资源不限时地进行保密信号破译。基于此系统，设计并验证了联合预编码及人工噪声的物理层安全方案，填补了该方案原型机验证平台的空白，为验证物理层安全技术的无条件安全特性提供了有力支撑。     

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。     

基于极化码的无协商密钥物理层安全传输方案

针对现有的密钥生成方案需要在通信流程中增加额外的密钥协商协议，导致在5G等标准通信系统中应用受限的问题，该文提出一种基于极化码的无协商密钥物理层安全传输方案。首先基于信道特征提取未协商的物理层密钥，然后针对物理信道与密钥加密信道共同构成的等效信道设计极化码，最后利用未协商的物理层密钥对编码后的序列进行简单的模二加加密后传输。该方案通过针对性设计的极化码纠正密钥差异和噪声引起的比特错误，实现可靠的安全传输。仿真表明，该文基于等效信道设计的极化码在保证合法双方以最优的码率可靠传输的同时可以防止窃听者窃听，实现了安全与通信的一体化。     

一种基于时空编码的物理层安全算法

针对多天线窃听系统的物理层安全问题,提出一种基于时空编码的预编码算法。首先,合法接收者发送训练序列用于发送者估计主信道状态信息,而窃听信道的状态信息合法用户均未知;其次,发送者利用均匀信道分解的方法提取主信道状态信息的特征参数,生成发射端预编码矩阵和合法接收端均衡矩阵,收发联合加密处理提高物理层安全;最后,利用 Monte Carlo方法进行仿真实验,数值分析表明,该算法在窃听者天线数目增多时能够实现非负的保密容量,即使窃听信道质量较好时,窃听者的接收性能仍维持在很差的水平,误码率高达0.5。     

无线通信物理层安全技术综述

无线通信因其天然的开放性和广播性特点,总是受到窃听等安全威胁,窃听者极易通过无线信道进行非法接收。传统的安全手段多是依靠认证和密码技术,在无线通信系统上层来实施,而与物理层相对独立。近年来,以物理层的角度研究无线通信的安全性逐渐成为一个研究热点。无线通信物理层安全技术,作为传统安全体制的重要补充,能够对无线传输过程中的信息形成有力保护,有效阻止窃听者通过非法接收获取信息。对无线通信物理层安全技术进行综述,对信息理论安全原理、发射信号方式安全技术、扩频和跳频加密技术、信道编码加密技术、调制方式加密技术等几类具有代表性的物理层安全技术进行介绍和梳理,重申其重要作用和意义,最后对跨层安全设计以及动态目标防御做出展望。     

6G通感融合网络中的物理层安全：机遇与挑战

第六代无线通信（6G）网络对通信速率与感知精度均提出更高要求，通信感知融合技术引起了广泛关注。一方面，感知波形的强指向性使得通信感知融合系统的信息传输面临严峻的安全挑战，另一方面，系统的感知能力也为利用物理层安全技术提升系统安全性提供了新的契机。为了研究面向6G的通感融合网络中的物理层安全问题，首先对通感融合网络中潜在的窃听模型进行总结，随后探索了利用感知能力获取窃听方信道信息的可行性，展示了物理层安全技术在6G通感融合网络中的应用实例，例如感知辅助干扰、协作干扰等，最后讨论了新兴技术在物理层安全辅助的通感融合网络中的潜在应用方向。     

有限字符输入系统的物理层安全传输条件

针对无线数字通信系统中人工噪声方法可被多天线窃听者破解的问题,该文提出有限字符输入下物理层安全传输的一个充分条件,并以此为指导设计了一种类符号人工噪声方法。分析表明,人工噪声方法下,有限字符输入信号和窃听者无噪接收信号之间的等效信道是一个离散有噪无损信道(Discrete Noisy Lossless Channel, DNLC)。由于DNLC输入信号的可逆性为窃密提供了必要条件,窃听者通过增加天线可使窃听信道容量达到合法用户的信道容量上限,致使系统的保密互信息为零,因此破坏输入信号的可逆性是有限字符输入下物理层安全传输的一个充分条件。类符号人工噪声方法满足这一充分条件,可以保证物理层安全传输,仿真结果也表明了该方法的有效性。     

窃听信道相关条件下最大比传输技术安全分析

在无线通信系统的实际传输中,当窃听用户距离合法接受者足够近,或者位于合法接收机信号的无线电波路径上时,就会出现主信道与窃听信道相关的场景。为此我们考虑一个多输入单输出,并且存在单天线被动窃听者的无线通信系统,研究了当基站采用最大比技术发射技术发送信号时,相关对系统性能的影响。推导了安全中断概率与平均安全容量的闭合表达式。数值仿真结果表明:（1）当主信道的信道质量高于窃听信道时,较低的相关对系统安全中断概率性能影响不大,然而强相关却能够带来更低的安全中断概率;（2）该相关对系统平均安全容量始终是有害的,且随着相关程度的增强,最大比发射技术相对于天线选择的优势逐渐变小。      

一种基于友好干扰者协助的区别信道估计机制

在物理层安全中,可以通过抑制窃听者信道估计的准确性间接提高合法接收者和窃听者间的接收信号质量差距,从而提高信号传输安全性.给出一种基于友好干扰者协助的区别信道估计机制,该方案借助于友好干扰者发送人工噪声来干扰窃听者的信道估计过程.进一步,基于窃听者的信道估计误差最大化给出了训练序列和人工噪声之间的最优功率分配,更好地抑制了窃听者信道估计的质量.仿真结果表明,新方法能有效地抑制窃听者信道估计的性能,提高合法接收者和窃听者间的接收信号质量差距.