無(wú)線物理層安全

物理層安全概述

OverviewofPhysicalLayerSecurity北京大學(xué)衛(wèi)星與無(wú)線通信實(shí)驗(yàn)室Contents發(fā)展趨勢(shì)研究現(xiàn)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(tīng)用戶研究背景傳統(tǒng)：以密碼學(xué)為基礎(chǔ)的相關(guān)加密技術(shù)。核心：不斷提高密碼破解的計(jì)算量。缺點(diǎn)：一是保密的基礎(chǔ)不牢靠；二是主要用于網(wǎng)絡(luò)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(lái)實(shí)現(xiàn)信息加密，產(chǎn)生密碼，辨識(shí)合法用戶等。它是作為上層安全的補(bǔ)充出現(xiàn)的，可以極大地增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的安全系能。物理層安全是以竊聽(tīng)信道模型為基礎(chǔ)，包含信道編碼、密鑰協(xié)商、協(xié)作干擾等技術(shù)。基本概念信源編碼器解碼器主信道合法用戶竊聽(tīng)信道竊聽(tīng)用戶Shannon在他的經(jīng)典論文“保密系統(tǒng)的通信理論”中證明，是存在最優(yōu)的保密通信系統(tǒng)的，這種系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)采用“一字一密”的方式進(jìn)行加密?；靖拍頦yner在1975年證明，在離散無(wú)記憶信道中，如果竊聽(tīng)信道的質(zhì)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(diào)的情況下，竊聽(tīng)者無(wú)法從收到的信號(hào)中得到任何信息，達(dá)到完善保密的狀態(tài)。這樣的編碼方式的碼率存在一個(gè)上限，他就把這個(gè)上限定義為保密容量（SecurityCapacity）?；靖拍頢.k.Leung和I.Csiszar分別在1978年證明，AWGN信道的保密容量實(shí)際上就是合法信道的信道容量與竊聽(tīng)信道的信道容量的差。它實(shí)際上描述了信道在保密傳輸速率的上界。當(dāng)前現(xiàn)狀以竊聽(tīng)信道模型為基礎(chǔ)的加密方式。主要思想是如果主信道比竊聽(tīng)信道的質(zhì)量更好的話，就可以確保在一定碼率上安全通信。結(jié)合傳統(tǒng)的加密思想，利用無(wú)線信道的特征來(lái)產(chǎn)生、管理和分發(fā)密鑰，提高密鑰管理的安全性。當(dāng)前現(xiàn)狀物理層安全保密編碼協(xié)作干擾密鑰協(xié)商當(dāng)前現(xiàn)狀：保密編碼不同的編碼方式，都要產(chǎn)生一個(gè)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(tīng)用戶在比合法用戶信道狀況稍差的情況下，完全無(wú)法獲得可辨識(shí)的信息。當(dāng)前現(xiàn)狀：密鑰協(xié)商無(wú)線信道具有唯一和互易特性，也就是說(shuō)收發(fā)雙方在短時(shí)間內(nèi)觀察到的信道特征傳遞函數(shù)時(shí)一樣的。如果收發(fā)雙方以鏈路的信道狀態(tài)信息作為密鑰進(jìn)行傳輸?shù)脑挘筒恍枰M(jìn)行密鑰的分發(fā)和管理，直接可以進(jìn)行保密通信。問(wèn)題：由于收發(fā)雙方對(duì)于信道的估計(jì)是有差異的，如何將差異控制在某個(gè)范圍內(nèi)，使得估計(jì)誤差不對(duì)密鑰產(chǎn)生影響。缺點(diǎn)：只能應(yīng)用在TDD系統(tǒng)中。當(dāng)前現(xiàn)狀：協(xié)作干擾在竊聽(tīng)信道模型中，要求竊聽(tīng)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(xié)作干擾的主要目的就是引入差異化干擾，使得竊聽(tīng)信道的噪聲水平高于主信道。協(xié)作干擾多天線場(chǎng)景多中繼場(chǎng)景當(dāng)前現(xiàn)狀：協(xié)作干擾-----多天線方法一：人工加噪核心思想：天線發(fā)送的信號(hào)是有用信號(hào)與人工噪聲信號(hào)之和，其中，人工噪聲與主信道函數(shù)H相互正交。當(dāng)前現(xiàn)狀：協(xié)作干擾-----多天線方法二：隨機(jī)系數(shù)擾動(dòng)核心思想：通過(guò)對(duì)發(fā)送信號(hào)乘以加權(quán)系數(shù)，使得主信道方向上，系數(shù)的組合為一常數(shù)，而竊聽(tīng)信道方向上，系數(shù)的組會(huì)是隨機(jī)變化的。當(dāng)前現(xiàn)狀：協(xié)作干擾-----多中繼中繼場(chǎng)景根據(jù)工作方式分為Oneway和Twoway兩種模式；根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)功能分為AF、DF和CJ三種。問(wèn)題核心：中繼選擇兩種方法：波束成型和中繼協(xié)作當(dāng)前現(xiàn)狀：協(xié)作干擾-----多中繼波束成型合法用戶竊聽(tīng)用戶中繼協(xié)作有用信號(hào)噪聲信號(hào)發(fā)展趨勢(shì)從理論到應(yīng)用?？鐚訁f(xié)同保密傳輸