无线通信物理层安全方法综述

引言

一.传统安全方案的局限性

1.传统安全方案是在网络层通过公私密钥对数据进行加密,往往以牺牲复杂度换取安全性。然而在目前正在推广使用的 LTE/4G 甚至在正在完善的5G 标准中,高的数据传输速率对加解密实时性、复杂度和延时等提出了更加严格的要求。

2.无线传感器网络(Wireless sensor network,WSN)及 无 线 自 组 织网络(Mobile Ad hoc networks,MANET)等新型网络目前在军事和民用中都得到了广泛的使 用。然而这些新型网络中的各个节点通常以电池供电,无法负担传统的加解密算法的功率与成本的开销。

3.传统的加密算法大多基于现有的计算机无法在短时间内对其进行破解。随着拥有迅速执行巨
量复杂的因数分解能力的量子计算机的出现,很多传统的加密方法将不再可靠。


二.物理层安全基础

1.替换方式:作为上层加密方法的一种补充或代替,物理层安全利用信道的多径、互易性、空间唯一性等特征在底层提高无线通信系统的安全性。

2.理论基础:Shannon建立的物理层安全模型。

3..本质:在于利用信道的噪声和多径特性的不确定性来加密发送信息,使得窃听者获得发送信号的信息量趋向于零。


三.物理层安全发展的两条主线

背景:

1.Wyner引入了窃听信道的模型,表 明 当 窃听者的信道是合法接收者的退化信道时,存在某种方法在保证不泄露给窃听者任何信息的条件下,最大化发送者到合法接收者的传输速率。

在 Wyner模型的启发下,很多文献提出在先验的信道状态信息(channel state information,CSI)的帮助下设计预编码矩阵的无密钥安全方案。其出发点是利用无线信道以及噪声内在的随机性使得合法接收者的信道优于窃听者来限制非法接收者获得的信息量。

2.Maurer认 为 Wyner的 退化窃听信道假设未必合理,并最先提出了一种当窃听者的信道优于合法接收者时仍可以进行安全通信的方法。该方法的核心在于让合法通信双方通过公共信道和无差错的反馈信道通信共同产生一组安全密钥。

基于信息论安全的物理层安全的研究发展为两条主线:1.由Wyner引导的无密钥安全;2.Shannon和Maurer引导的无线密钥安全机制。




安全容量

无线信道安全容量的分析是物理层安全的研究基础。物理层安全的安全容量决定了合法接收端可以正确接收而窃听者却无法获取的信息的最大可达通信速率,以及通信网络能提供的服务质量的高低。

一.无密钥安全系统下的容量

无密钥安全方案的出发点是合法接收者的信道条件优于窃听者的信道。该模型下的安全容量可以描述为:

1
Cs =Cm -Ce

式中,Cm和Ce分别为合法接收者和窃听者的信道容量。

通过增大合法接收者和窃听者的信道条件差异来优化信道安全容量。


二.无线密钥共享方案下的密钥

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