无线物理层安全概述

Shannon在他的经典论文“保密系统的通信 理论”中证明，是存在最优的保密通信系统 的，这种系统应当采用“一字一密”的方式 进行加密。
基本概念
Wyner在1975年证明，在离散无记忆信道中， 如果窃听信道的质量比主信道差，那么总能找 到一种信道编码，使得在合法用户能够正确解 调的情况下，窃听者无法从收到的信号中得到 任何信息，达到完善保密的状态。这样的编码 方式的码率存在一个上限，他就把这个上限定 义为保密容量（Security Capacity）。
当前现状：密钥协商
无线信道具有唯一和互易特性，也就是说收发双方在短 时间内观察到的信道特征传递函数时一样的。如果收发 双方以链路的信道状态信息作为密钥进行传输的话，就 不需要进行密钥的分发和管理，直接可以进行保密通信。
▪ 问题：由于收发双方对于信道的估计是有差异的，如 何将差异控制在某个范围内，使得估计误差不对密钥 产生影响。
▪ 缺点：只能应用在TDD系统中。
当前现状：协作干扰
在窃听信道模型中，要求窃听信道的信道容量小于主信 道，才能确保一定的保密容量，保密通信才成为可能， 因此协作干扰的主要目的就是引入差异化干扰，使得窃 听信道的噪声水平高于主信道。
协作干扰
多天线场景 多中继场景
当前现状：协作干扰-----多天线
方法一：人工加噪 核心思想：天线发送的信号是有用信号与人工噪声信号 之和，其中，人工噪声与主信道函数H相互正交。
物理层安全概述
Overview of Physical Layer Security
北京大学卫星与无线通信实验室
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研究背景 基本概念 研究现状 发展趋势
研究背景
安全性
可靠性 不可知性
主用户 窃听用户
研究背景
传统：以密码学为基础的相关加密技术。 核心：不断提高密码破解的计算量。 缺点：一是保密的基础不牢靠；二是主要用 于网络层及以上各层。
两种方法：波束成型和中继协作
当前现状：协作干扰-----多中继
波束成型
合法用户 窃听用户
中继协作
有用信号 噪声信号
发展趋势
从理论到应用。 跨层协同保密传输 进入下一代移动通信标准 研究的扩展（空域的研究比较充分，时域和频域特性对
于保密性能的研究涉及不多；物理层攻击及其防范；物 理层安全的破解）
基本概念
▪ 物理层安全是指利用物理信道的唯一性和互易 性，来实现信息加密，产生密码，辨识合法用 户等。它是作为上层安全的补充出现的，可以 极大地增强整个系统的安全系能。
▪ 物理层安全是以窃听信道模型为基础，包含信 道编码、密钥协商、协作干扰等技术。
基本概念
信源
编码器
主信道
解码器
合法用户
窃听信道
窃听用户
zk yk
Hk gxk Gk gxk
nk ek
xk sk wk
zk yk
Hk gsk Gk gsk
nk Gk
gwk
ek
Hk gwk 0
当前现状：协作干扰-----多天线
方法二：随机系数扰动 核心思想：通过对发送信号乘以加权系数，使得主信道 方向上，系数的组合为一常数，而窃听信道方向上，系 数的组会是随机变化的。
结合传统的加密思想，利用无线信道的特征来 产生、管理和分发密钥，提高密钥管理的安全 性。
当前现状
物理层安全
保密编码 协作干扰 密钥协商
当前现状：保密编码
不同的编码方式，都要产生一个类似的效果，就是在确 保合法用户通信可靠性的前提下，使得窃听用户在比合 法用户信道状况稍差的情况下，完全无法获得可辨识的 信息。
s1 n 1 n
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s2
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当前现状：协作干扰-----多中继
中继场景根据工作方式分为One way 和 Two way两种模式；根据中继节点功能 分为AF、DF和CJ三种。 问题核心：中继选择
基本概念
S. k. Leung 和 I. Csiszar分别在1978年证明， AWGN信道的保密容量实际上就是合法信道的 信道容量与窃听信道的信道容量的差。它实际 上描述了信道在保密传输速率的上界。
当前现状
以窃听信道模型为基础的加密方式。主要思想 是如果主信道比窃听信道的质量更好的话，就 可以确保在一定码率上安全通信。