基于极化调制的物理层安全技术简介

引  言

随着5G技术的发展，无线通信技术的应用深入社会的各个领域，无线网络（5G）深刻地影响着人们的日常生活和社会生产。无线网络中的多种保密和敏感数据（如金融信息，个人银行账户和信用卡信息，个人医疗信息）等呈海量式增长，随之而来的是突出的信息安全问题，而保障无线通信系统的安全变得越来越重要[1-4]。相比于传统的有线网路，无线信道具有开放和广播的特性，使得无线通信网络中的用户很容易受到窃听、攻击和干扰[5]。传统的无线通信系统通常在链路层及其上层采用基于密码学的加密算法来保证通信的安全性，如对称密钥加密和非对称密钥加密的应用[6,7]。基于密码学的加密算法的安全性建立基于计算安全，即在密钥未知的情况下，攻击者无法在有限时间内通过有效计算完成解密。但是随着计算机的计算能力提高，特别是量子计算技术[8]的快速发展，传统加密算法所依赖的数学计算难度不足以抵抗攻击，将导致现有的加密系统面临极大的安全威胁[9] 。另一方面，在未来网络的大量新型应用场景中，如大规模 IoT 网络[10]，将接入海量的资源受限传感节点，使得基于密码学的密钥分发和管理的复杂度极高甚至难以实现。基于上述背景，无线通信系统物理层安全技术引起了学术界的和工业界的广泛关注[3,11-13]。相比于传统的上层基于密钥的安全机制，一方面，物理层安全机制利用无线通信信道的随机性和唯一性，直接阻断窃听者从开放的无线链路获取信息，为无线通信用户提供轻重量高安全保障[14]。另一方面，随着5G中大规模多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术的发展，无线通信物理层资源越来越丰富，为实现物理层安全算法提供了有效的支撑。最后，物理层安全技术可以与现有的上层基于密钥的安全技术相结合，构筑一个全方位的、多层次、高安全的立体化安全体系，满足更多场景，更多业务，更多行业的安全需求。因此，物理层安全技术具有巨大的研究潜力。

基于极化调制的物理层安全技术

随着无线技术的发展，极化调制不仅能提升通信系统性能，其在物理层安全方面的应用也受到广泛关注。现有研究均是从时频域、空域引入物理层安全算法，事实上，除了载波的幅度、相位和频率可以被调制承载有用信息外，信号的极化状态也可以承载信息，而且对传统调制技术具有很好的兼容性，因此，极化域有着巨大的物理层安全潜力。首先由于极化状态是关于信号轨迹与旋向的描述，是信号的矢量特征，而传统的盲识别和盲解调技术多是针对幅度、相位或频率等构成的标量特征进行研究，而针对信号的矢量特征分析的研究非常少，如果合理地引入极化状态调制，可以对抗基于标量的物理层攻击，在信息维度上获得一定的物理层安全增益。其次，在传统调制技术的基础上引入极化状态调制，可将传统的二维平面星座与极化stokes空间结合形成高维空间中的星座，增大了星座结构和映射规则设计的自由度，为进一步设计安全高效的星座结构提供了空间。再次，极化调制具有方向依赖特性，接收机收到的极化状态随空间方位变化而变化，利用这一特性可以设计极化方向调制系统，进一步增加无线通信系统的安全性。最后，无线信道的去极化效应使得信道具有更强的差异性和随机性，可以进一步利用该特点设计加密算法恶化窃听信道质量。本文将从上述几个方面对基于极化调制的物理层安全技术展开介绍。

1、基于极化高维星座的物理层安全技术

极化调制特殊的矢量特性和信道的去极化效应为无线通信的物理层安全提供了资源。文献[15]极化状态调制与传统调制技术相结合，极化状态被用来承载机密信息建立隐蔽通信链路，通过高维星座设计，可实现在不改变功率谱分布的前提下，实现极化信息的传输。文献[16]提出了一种安全高效的极化星座设计的方法，通过合理的利用极化星座的非线性，可以在保障频谱效率的同时实现安全传输。文献[17] 提出了一种基于极化多维星座的正交频分复用(OFDM) 物理层安全通信机制，通过高维星座设计，可以有效地加密调制信息，保护无线通信的调制信息不被发现，从而保证无线通信的安全。

图1 高维安全极化调制星座

2、基于极化方向特性的物理层安全技术由于极化调制具有特殊的调制解调特性，极化调制通信具有方向依赖特性。Qi Shuai[18]将方向调制和极化调制相结合，利用方向调制中天线阵列的方向性和在理想方向信道的零空间上加干扰激励，可以使窃听者接收的信息产生畸变， 将极化调制(PM) 代替方向调制的 PSK 后，可以进一步增大窃听者接收信息的误码率。文献[19]提出一种基于方向-极化状态调制技术的双极化卫星多输入多输出(multi input multi output，MIMO)安全传输方法，该方法将传输信号的极化状态与接收机方位信息相结合，实现信号差异性发射，增大非期望方向接收机解调信息的难度。文献[20]建模了极化状态的空间方向依赖特性，并基于此方向依赖特性，设计了基于极化方向调制的物理层通信系统，该系统可以具有更窄的主瓣和有效接收范围。

图2 极化状态受空间影响热度图

3、基于无线信道去极化效应的物理层安全技术无线信道去极化效应成为了限制极化调制在无线通信系统中应用的最大瓶颈，但同时为物理层安全提供了资源。由于去极化效应与信道密切相关，不同的无线信道受到的去极化效应影响也有所不同，因此，无线信道去极化效应是可以被用来加密信息。文献[15]利用去极化效应对合法信道进行了预补偿，消除去极化效应对合法接收信道影响的同时恶化了窃听信道接收质量。文献[21]利用极化状态与传统调制技术相结合设计高维星座，进一步基于信道去极化效应设计信道预编码矩阵，增大合法接受者和窃听端在极化域的信道差异实现物理层安全传输。

图3 极化星座收到信道去极化效应产生畸变

结  语

虽然极化状态调制已经在物理层安全领域得到了部分应用，然而现有的基于极化状态调制的物理层安全传输系统都是基于信道的去极化效应实现物理层安全防护，极化域的很多信息没有得到充分应用，在物理层安全领域有着巨大的应用潜力。

参考文献

[1] Perrig A, Stankovic J A, Wagner D. Security in wireless sensor networks. Commun ACM[J]. Cacm, 2004, 47(6): 53-57.

[2] Pundir S, Wazid M, Singh D P, et al. Intrusion Detection Protocols in Wireless Sensor Networks Integrated to Internet of Things Deployment: Survey and Future Challenges[J]. IEEE Access, 2020, 8: 3343-3363.

[3] Wang D, Bai B, Zhao W, et al. A Survey of Optimization Approaches for Wireless Physical Layer Security[J]. IEEE Communications Surveys and Tutorials, 2019, 21(2): 1878-1911.

[4] Ullah H, Gopalakrishnan Nair N, Moore A, et al. 5G communication: An overview of vehicle-to-everything, drones, and healthcare use-cases[J]. IEEE Access, 2019, 7: 37251-37268.

[5] Shiu Y, Chang S Y, Wu H, et al. Physical layer security in wireless networks: a tutorial[J]. IEEE Wireless Communications, 2011, 18(2): 66-74.

[6] Massey, J.L. An introduction to contemporary cryptology[J]. Proceedings of the IEEE, 76(5): 533-549.

[7] Barenghi A, Breveglieri L, Koren I, et al. Fault Injection Attacks on Cryptographic Devices: Theory, Practice, and Countermeasures[J]. Proceedings of the IEEE, 100(11): 3056-3076.

[8] Bennett C, Bernstein E, Brassard G, et al. Strengths and Weakness of Quantum Computing[M]. 26.  1997: 1510-1523.

[9] Moradi A, Shalmani M T M, Salmasizadeh M. A Generalized Method of Differential Fault Attack Against AES Cryptosystem[J]. Ches, 2006, 4249: 91-100.

[10] Zhou J, Cao Z, Dong X, et al. Security and Privacy for Cloud-Based IoT: Challenges[J]. IEEE Communications Magazine, 55(1): 26-33.

[11] Qi Q, Chen X, Zhong C, et al. Physical layer security for massive access in cellular Internet of Things[J]. Science China Information Sciences, 2020, 63(2).

[12] El-Rewini Z, Sadatsharan K, Selvaraj D F, et al. Cybersecurity challenges in vehicular communications[J]. Vehicular Communications, 2020, 23.

[13] Bhoyar P, Sahare P, Dhok S B, et al. Communication technologies and security challenges for internet of things: A comprehensive review[J]. AEU - International Journal of Electronics and Communications, 2019, 99: 81-99.

[14] 唐杰. 未来无线通信中基于物理信道的安全技术研究[D]. 电子科技大学, 2018.

[15] Dong W, Lili L, Meng Z, et al. A Polarization state Modulation based Physical Layer Security scheme for Wireless Communications[C]. MILCOM 2016 - 2016 IEEE Military Communications Conference, 2016: 1195-1201.

[16] Huang W, Zhang Q, Wei D, et al. A Secure and Power-Efficient Constellations for Physical Layer Security[C]. 2019 IEEE International Conference on Smart Internet of Things (SmartIoT), 2019: 479-483.

[17] 刘喆, 张巧遇, 程明智. 基于极化多维星座调制的OFDM物理层安全通信机制[J]. 北京邮电大学学报, 2018, 41(04): 9-15.

[18] 齐帅, 张邦宁, 郭道省, et al. 基于方向极化调制的安全可靠传输技术研究[J]. 信息技术与网络安全, 2018, 37(07): 27-32.

[19] 罗章凯, 王华力, 吕望晗. 基于方向-极化状态调制的卫星MIMO安全传输方法[J]. 系统工程与电子技术, 2017, 39(04): 888-892.

[20] Zhang Q, Yang Z, Wang W, et al. A Dual-polarized Antennas Based Directional Modulation Scheme[C]. 2019 26th International Conference on Telecommunications (ICT), 2019: 468-473.

[21] 李敏, 梁莉莉, 魏冬. 基于极化状态调制的无线通信物理层安全传输技术[J]. 信息安全学报, 2018, 3(05): 105-117.

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科学技术分会

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作者：张巧遇责编：丁   昶

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