物理层安全技术研究现状与展望_龙航.pdf

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1、研究与开发研究与开发物理层安全技术研究现状与展望*1211龙航，袁广翔，王静，刘元安（1.北京邮电大学泛网无线通信教育部重点实验室北京100876；2.工业和信息化部电信研究院泰尔实验室北京100191）摘要物理层安全技术的研究正逐渐成为信息安全和无线通信两个领域的交叉热点。回顾了物理层安全技术的背景和研究现状，并对其未来的发展进行了展望。物理层资源的多样性和惟一性等特征以及十几年来物理层传输技术的涌现和发展，为物理层安全技术的研究开展提供了广阔的空间。目前物理层安全技术的研究以引入各种新技术之后的窃听信道容量分析为基础，并且已经出现了物理

2、层鉴权技术、物理层密钥产生技术和物理层加密技术等新兴的研究方向。关键词无线通信；物理层安全；窃听信道安全性是通信质量的重要衡量手段，表征了通信系统1物理层安全技术的背景面对人为破坏和威胁时的抵抗能力。在各类通信系统中，1.1无线通信系统的安全性无线通信系统受到的安全威胁更甚于物理传输介质相对[2~5]随着现代社会对信息需求的不断增长以及通信技术封闭的有线通信系统，其原因体现在如下几个方面。的飞速发展，社会各方面对信息的依赖性明显增强，通信·无线通信系统物理传输介质的开放性，即无线传播网的规模日益扩大，与计算机网和广播电视网也日趋融的广播特性

3、使其更容易遭受安全威胁。合。作为国家信息基础设施的重要组成部分，通信网已成·无线终端的移动性使其安全管理难度更大。[1]为世界各国综合国力竞争的热点。·无线通信网络拓扑结构的多样性和变化性给安全众所周知，通信系统质量一般从如下3个方面进行机制的实施带来了困难。衡量。·无线传输的不稳定性除了影响无线通信系统的有效·有效性，即数据传输的速率和吞吐量相关指标。性和可靠性之外，同样给通信的安全性带来了挑战。·可靠性，即数据传输过程中，由现实通信系统中不1.2物理层安全技术的出现背景可避免的噪声/干扰等造成的差错相关指标。现行的无线通信系统信息安全机

4、制主要移植于有线·安全性，即数据传输过程中的非正常事故及其危害系统。从开放系统互连7层协议的角度看，传统无线通信程度相关指标。系统中的信息安全技术主要集中于网络层及其以上各层，并在研究中假设物理层已提供了畅通且无差错的传*中国博士后基金资助项目（No.20110490329），国家自然科学基输。无线通信系统中的物理层安全技术研究尚未引起足金资助项目（No.60802082），“十一五”国家科技重大专项资助项目(No.2009ZX03003-008-01)够的重视。60电信科学2011年第9期另一方面，无线通信系统的物理层传输技术正在经历综上

5、所述，随着无线通信的发展和基于移动终端的业[6]快速而持续的发展。信道编码技术的革新，多载波技术的务在未来可预见的爆炸式增长，有效利用无线通信系统的[7，8][9~12]工程可实现化，多天线技术和协同中继技术的出现物理层资源，研究基于物理层资源的信息安全技术，探索都在不同时间段引领了无线通信技术的研究热潮，并极大能够有效提高无线通信系统的安全性的新方法，具有深远地丰富了无线通信的物理层资源。的理论意义和实际应用价值。在物理层实现信息安全，为无线通信系统的物理层资源的多样性为物理层信息研究人员开辟了一种有效利用物理层资源的新途径，开拓安全技术

6、的研究开展提供了广阔的空间，同时也留下了诸了信息安全的研究领域。但是，由于无线通信中的各种物多亟待解决的问题。理层技术蓬勃发展、层出不穷，如何充分地开发物理层资首先，无线传播信道的惟一性、保密性、互易性等特征源的惟一性和保密性，目前尚有巨大的研究空间。为物理层安全机制的研究提供了足够的空间。多载波技术2国内外研究现状及分析的使用提供了无线信道的频域自由度；多天线技术的使用首先开拓了无线信号的空域自由度；协同中继技术的使用2.1信息安全技术继续开拓了无线通信系统的空域自由度，并在无线通信链广义的信息安全技术几乎与通信技术同时诞生，并拥路两端之

7、外引入了新的节点和角色。有一段相当长的历史，例如古罗马的卷筒密码和中国春秋其次，安全机制在某些特殊设备上只能由物理层技术时期的虎符都可以看作早期信息安全技术的雏形。在当今进行实现。在未来的无线通信系统中，尤其是分布式无线社会中，通信信息安全技术是一门涉及数学、信息论、计算通信系统中，低成本低复杂度的单一功能节点拥有极大的机科学和通信等多门学科的综合性技术。由于无线通信系市场份额。此类节点的上层结构被极大地简化，传统的安统的广泛应用和其承担的重要作用，无论是商用还是专用[1，2，5，13，14]全机制无法延续使用。在此类的无线通信系统中，物理

8、层无线通信系统都可能会遭受多种安全威胁。表1信息安全机制的使用几乎是无可避免的。给出了具体安全威胁的种类及其具体描述。再次，传统的无线物理层传输技术与物理层信息安全因此，针对其所