物理層安全概述

OverviewofPhysicalLayerSecurity北京大學衛星與無線通信實驗室Contents發展趨勢研究現狀基本概念研究背景研究背景安全性可靠性主用戶不可知性竊聽用戶研究背景傳統：以密碼學為基礎的相關加密技術。核心：不斷提高密碼破解的計算量。缺點：一是保密的基礎不牢靠；二是主要用于網絡層及以上各層。基本概念物理層安全是指利用物理信道的唯一性和互易性，來實現信息加密，產生密碼，辨識合法用戶等。它是作為上層安全的補充出現的，可以極大地增強整個系統的安全系能。物理層安全是以竊聽信道模型為基礎，包含信道編碼、密鑰協商、協作干擾等技術。基本概念信源編碼器解碼器主信道合法用戶竊聽信道竊聽用戶Shannon在他的經典論文“保密系統的通信理論”中證明，是存在最優的保密通信系統的，這種系統應當采用“一字一密”的方式進行加密。基本概念Wyner在1975年證明，在離散無記憶信道中，如果竊聽信道的質量比主信道差，那么總能找到一種信道編碼，使得在合法用戶能夠正確解調的情況下，竊聽者無法從收到的信號中得到任何信息，達到完善保密的狀態。這樣的編碼方式的碼率存在一個上限，他就把這個上限定義為保密容量（SecurityCapacity）。基本概念S.k.Leung和I.Csiszar分別在1978年證明，AWGN信道的保密容量實際上就是合法信道的信道容量與竊聽信道的信道容量的差。它實際上描述了信道在保密傳輸速率的上界。當前現狀以竊聽信道模型為基礎的加密方式。主要思想是如果主信道比竊聽信道的質量更好的話，就可以確保在一定碼率上安全通信。結合傳統的加密思想，利用無線信道的特征來產生、管理和分發密鑰，提高密鑰管理的安全性。當前現狀物理層安全保密編碼協作干擾密鑰協商當前現狀：保密編碼不同的編碼方式，都要產生一個類似的效果，就是在確保合法用戶通信可靠性的前提下，使得竊聽用戶在比合法用戶信道狀況稍差的情況下，完全無法獲得可辨識的信息。當前現狀：密鑰協商無線信道具有唯一和互易特性，也就是說收發雙方在短時間內觀察到的信道特征傳遞函數時一樣的。如果收發雙方以鏈路的信道狀態信息作為密鑰進行傳輸的話，就不需要進行密鑰的分發和管理，直接可以進行保密通信。問題：由于收發雙方對于信道的估計是有差異的，如何將差異控制在某個范圍內，使得估計誤差不對密鑰產生影響。缺點：只能應用在TDD系統中。當前現狀：協作干擾在竊聽信道模型中，要求竊聽信道的信道容量小于主信道，才能確保一定的保密容量，保密通信才成為可能，因此協作干擾的主要目的就是引入差異化干擾，使得竊聽信道的噪聲水平高于主信道。協作干擾多天線場景多中繼場景當前現狀：協作干擾-----多天線方法一：人工加噪核心思想：天線發送的信號是有用信號與人工噪聲信號之和，其中，人工噪聲與主信道函數H相互正交。當前現狀：協作干擾-----多天線方法二：隨機系數擾動核心思想：通過對發送信號乘以加權系數，使得主信道方向上，系數的組合為一常數，而竊聽信道方向上，系數的組會是隨機變化的。當前現狀：協作干擾-----多中繼中繼場景根據工作方式分為Oneway和Twoway兩種模式；根據中繼節點功能分為AF、DF和CJ三種。問題核心：中繼選擇兩種方法：波束成型和中繼協作當前現狀：協作干擾-----多中繼波束成型合法用戶竊聽用戶中繼協作有用信號噪聲信號發展趨勢從理論到應用。跨層協同保密傳輸