物理層安全技術(shù)及其在保密通信中的應(yīng)用

摘 要隨著當(dāng)今電子技術(shù)的快速發(fā)展，保密通信已經(jīng)在整個(gè)現(xiàn)代電信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，然而在通信過程中怎樣保證密鑰不被識(shí)破成為非常關(guān)鍵的問題，當(dāng)前在網(wǎng)絡(luò)、金融行業(yè)中密鑰的安全性主要利用數(shù)學(xué)計(jì)算進(jìn)行保證。基于此，文章首先針對(duì)常見的物理層安全技術(shù)概念進(jìn)行了簡(jiǎn)單闡述，然后帶著對(duì)這些概念的了解，對(duì)物理層安全技術(shù)及其在保密通信中的應(yīng)用進(jìn)行了深入分析，希望可以為大家提供一些參考。

【關(guān)鍵詞】物理層 安全技術(shù) 保密通信

一直以來無線通信系統(tǒng)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(tǒng)保密手段主要以現(xiàn)代密碼學(xué)作為理論上的基礎(chǔ)，利用加密算法及密鑰對(duì)信息進(jìn)行加密，但是隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的快速發(fā)展，這種保密通信方式很快失效，加上物理層安全技術(shù)王權(quán)依賴物理性的固有特性，來實(shí)現(xiàn)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(tǒng)中有很多專業(yè)的概念，只有大家了解了這些概念的基本意義，然能對(duì)相關(guān)物理層安全技術(shù)及在保密通信中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行進(jìn)一步的分析，下面我們就幾個(gè)常見的概念進(jìn)行分析。

1.1 分層協(xié)議結(jié)構(gòu)

所有通信系統(tǒng)都是以如何完成通信可靠性、安全性、有效性來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的。通信的可靠性指?jìng)鬏斶^程中對(duì)各種客觀自然干擾能力進(jìn)行抵抗的能力，同時(shí)在它在軍事通信過程中，通常還包含抵抗人為設(shè)置干擾的能力；通信的安全性指?jìng)鬏斶^程中安全保密性能，也就是有關(guān)接收端防竊聽以及發(fā)送端篡改等相關(guān)能力；通信的有效性指盡可能占有較少的時(shí)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(shù)和以往的技術(shù)不同，主要利用無線信道的特性來實(shí)現(xiàn)有效的安全通信。因?yàn)闊o線信號(hào)傳播具有開放性特點(diǎn)，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(huì)發(fā)生，攻擊者會(huì)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(wǎng)絡(luò)相連接，通常這種威脅是很難抵抗的。

（2）如果不能形成鑒權(quán)機(jī)制，那么攻擊者就會(huì)未經(jīng)授權(quán)即與網(wǎng)絡(luò)資源相連接，進(jìn)而得到涉密信息。

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

1.2 保密容量

與主信道相比如果竊聽信道的質(zhì)量比較差，那么總會(huì)找到信道編碼使用戶可以正確解調(diào)，竊聽者不能從得到的信號(hào)中獲得任何信息，通過這種方式來達(dá)到保密狀態(tài)。通常這種編碼方式碼率都會(huì)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(xué)術(shù)界對(duì)多天線信道、衰落信道等模型保密容量的研究，最終發(fā)現(xiàn)，衰落、干擾及多天線實(shí)際上都對(duì)保密信道帶來了正面影響。

2 物理層安全技術(shù)及其在保密通信中的應(yīng)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(shí)現(xiàn)信息加密，對(duì)合法用戶與竊聽者進(jìn)行有效區(qū)分，通常它是作為上層安全的一種有效補(bǔ)充存在的，可以使整個(gè)系統(tǒng)的安全性能得到提升。

2.1 物理層密鑰的應(yīng)用

無線信道本身具有互易性、唯一性等特征，在短時(shí)間之內(nèi)收發(fā)雙方觀察到的信道特征函數(shù)是一致的，如果利用鏈路信道狀態(tài)信息作為密鑰，那么收發(fā)雙方則不需分發(fā)和管理密鑰，直接保密通信。當(dāng)前我們主要利用無線信道特征對(duì)密鑰進(jìn)行產(chǎn)生、管理及分發(fā)，同時(shí)充分結(jié)合傳輸技術(shù)及傳輸系統(tǒng)來產(chǎn)生密鑰算法。這種方法中存在的問題在于，因?yàn)槭瞻l(fā)雙方對(duì)信道的估計(jì)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(jì)誤差則不會(huì)影響密鑰。

2.2 安全編碼技術(shù)的應(yīng)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(chǔ)上，使竊聽者在比用戶信道情況稍差的情況下，不能對(duì)信息進(jìn)行可靠性辨識(shí)。經(jīng)過一系列的研究發(fā)現(xiàn)，糾錯(cuò)碼、極化碼等經(jīng)過適應(yīng)性改變以后，都會(huì)達(dá)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(shù)預(yù)編碼、空時(shí)編碼等經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)以后，都能與保密信道容量相逼近。

2.3 協(xié)作干擾技術(shù)的應(yīng)用

在整個(gè)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(xié)作干擾技術(shù)應(yīng)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(fā)送信號(hào)，人工噪聲和合法信道中信道特征函數(shù)為相互正交的狀態(tài)。經(jīng)過隨機(jī)擾動(dòng)以后對(duì)發(fā)送信號(hào)乘以加權(quán)系數(shù)，那么就可以得到常熟，也就是說竊聽信道系數(shù)是隨機(jī)發(fā)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(zhì)量沒有合法信道信道的質(zhì)量好，因此竊聽者即使可以獲得信號(hào)，也不能從信號(hào)中提取出有用的信息。

2.4 其他技術(shù)的應(yīng)用

除了以上技術(shù)以外，還可以利用物理層信號(hào)細(xì)微特性對(duì)硬件設(shè)備的唯一性進(jìn)行識(shí)別，通過這種方式也可以達(dá)到設(shè)備鑒權(quán)的作用，例如在雷達(dá)系統(tǒng)及衛(wèi)星通信中應(yīng)用射頻指紋技術(shù)，同時(shí)與傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，這種情況下可以充分利用無線信道特征對(duì)竊聽者與合法用戶進(jìn)行區(qū)分。

當(dāng)前對(duì)信道估計(jì)技術(shù)的研究主要在基于信道估計(jì)準(zhǔn)確層面上，也就是說一些信道的信息是確知的，經(jīng)過大量研究發(fā)現(xiàn)，信道相位可以影響保密性，至于怎樣對(duì)信道相位估計(jì)的準(zhǔn)確性進(jìn)行提高，或者說怎樣在相位估計(jì)不準(zhǔn)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(jié)語

綜上所述，當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)逐漸在民用通信及相關(guān)保密通信系統(tǒng)中取代了有線傳輸網(wǎng)絡(luò)，然而利用無線媒質(zhì)對(duì)信息進(jìn)行傳輸?shù)倪^程中，竊聽、擁塞等問題不可避免會(huì)發(fā)生。基于此，本次研究主要針對(duì)物理層安全技術(shù)在無線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用展開分析，并分別對(duì)現(xiàn)有的物理層安全技術(shù)進(jìn)行了說明，供大家參考。

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作者簡(jiǎn)介

曹文毓（1993-），男，陜西省西安市人。西安文理學(xué)院機(jī)械與材料工程學(xué)院12級(jí)教育物理專業(yè)在讀本科學(xué)生。

作者單位

西安文理學(xué)院機(jī)械與材料工程學(xué)院 陜西省西安市 710065