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。     

基于多窃听MIMO信道的物理层安全研究

无线通信技术具有的开放性特征使得无线通信的安全性和可靠性在通信研究中越来越受到人们的关注.无线通信信号的传输具有广播性和叠加性,传统的通过加密算法和安全协议这两种有线传输安全保证的方法直接用于无线通信中显然并不能达到安全传输信号的目的.为了解决这一问题,人们逐渐将目光转向物理层,而物理层安全技术为解决这一问题提供了新的...     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

Deep Learning Based Physical Layer Security of D2D Underlay Cellular Network

In order to improve the physical layer security of the device-to-device(D2D)cellular network,we propose a collaborative scheme for the transmit antenna selection and the optimal D2D pair establishment based on deep learning.Due to the mobility of users,using the current channel state information to select a transmit antenna or establish a D2D pair for the next time slot cannot ensure secure communication.Therefore,in this paper,we utilize the Echo State Network(ESN)to select the transmit antenna and the Long Short-Term Memory(LSTM)to establish the D2D pair.The simulation results show that the LSTMbased and ESN-based collaboration scheme can effectively improve the security capacity of the cellular network with D2D and increase the life of the base station.     

MIMO系统中空时分组编码的信道容量

在多输入多输出（MIMO）系统中，建立空时分组编码模型，在分析瑞利衰落下正交空时分组码接收信噪比的基础上，得到了正交空时分组编码信遗容量的表达式，并采用数值计算的方法对其进行分析论述，得出在接收天线数一定的情况下，增加发送天线数所能得到的信道容量的上界。同时，分析证明，在发送天线数一定时，正交空时分组编码信道容量随接收天线数的增加而增加。在接收天线数一定时，信遗容量也随着发送天线数的增加而增加，但当发送天线数增加到一定数量时容量的增加就变得不十分明显。     

人工噪声辅助的多用户安全传输方法

针对传统人工噪声辅助的安全传输方法无法适用于发射天线数等于接收天线数的多用户(Multiuser, MU)多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)系统的问题,提出了一种人工噪声辅助的多用户安全传输新方法。通过合理设计人工噪声与预编码矩阵,该方法可在同时满足所有用户传输需求的基础上,显著提升发射天线数等于接收天线数的MU-MIMO系统的安全性。同时,针对提出的方法进行了检测算法与平均保密速率的推导与分析。理论分析与仿真结果表明,所提方法可有效提升无线通信系统的安全性,在信噪比为20 dB时,该方法较传统方法的平均保密速率提升达到120%。     

基于物理层安全的最优化跨层调度方案

无线网络的调度方案要求以链路质量、传输率和时延等网络参数作为主要参考依据,控制和管理网络中节点的传输行为。现有的无线网络调度方案中都没有把网络安全纳入考虑,但是通常情况下,网络安全正是影响网络性能的重要因素。文中设计了一个新的无线网络调度方案,该方案可以在物理层实现通信的完美保密。通过把这个调度方案和IEEE802.11的Mac协议中已有的分布式协调功能(DCF)相结合,从而可以实现一个保证了物理层安全的新Mac协议——SecDCF。文中采用Matlab对该协议进行仿真,仿真结果显示在实现物理层安全的前提下,SecDCF相比传统的DCF可以显著提升性能。     

一种基于多载波的多播系统物理层安全方案

受限于发送方天线数目,无线多播系统整体信道通常不存在零空间,无法利用传统的物理层安全技术保证其安全传输。针对这一问题,该文提出一种基于多载波的多播系统物理层安全方案。首先,建立了多载波多播系统物理层安全通信模型;之后,通过分配载波产生合法用户的信道零空间,在零空间内引入人工噪声保证系统的安全传输;最后,以最大化保密传输速率为目标,在系统总功率受限情况下,利用Kuhn-Tucher条件对各子载波功率进行了优化。仿真结果表明:该方案不受限于发送方天线数目,并且所提功率分配方法的系统保密传输速率比等功率分配方法提升约2 bit/(s Hz)。     

多输入多输出系统中空时分组码的盲信道估计

在空时系统设计中，信道估计是一个关键技术。对一种基于空时分组码的盲信道估计算法进行了研究。在信道输出端进行子空间分解，如果信号子空间是由信道唯一决定的，那么信道参数可被唯一估计为一个常数。提出的算法是基于空时分组码的普通形式，因此可被应用于任何分组码。最后，仿真结果显示了一些特定码字的估计效果。     

认知无线电网络的物理层安全研究及其鲁棒性设计

该文从用户服务质量(QoS)的角度研究了多输入单输出(MISO)认知无线电网络的物理层安全问题。通过在次用户的发送信号中加入适当功率的人为噪声,能够有效地提高网络的物理层安全性能。经过适当的变换,将次用户的安全优化问题转化为一个半定规划,从而可以有效地求得次用户的最优发射方案。另外,针对信道状态信息不确定性的问题,在假设已知信道状态信息误差范围的前提下,采用最差性能最优的方法对系统进行鲁棒性设计,以保证即使在信道状态信息误差最大的情况下,依然可以满足系统的约束条件。最后,通过仿真验证了算法的有效性。