物理层安全技术及其在保密通信中的应用

摘 要随着当今电子技术的快速发展，保密通信已经在整个现代电信系统中得到了广泛应用，然而在通信过程中怎样保证密钥不被识破成为非常关键的问题，当前在网络、金融行业中密钥的安全性主要利用数学计算进行保证。基于此，文章首先针对常见的物理层安全技术概念进行了简单阐述，然后带着对这些概念的了解，对物理层安全技术及其在保密通信中的应用进行了深入分析，希望可以为大家提供一些参考。

【关键词】物理层 安全技术 保密通信

一直以来无线通信系统的可靠性一直被人们所研究，可见保证无线通信的安全性是多么的重要。传统保密手段主要以现代密码学作为理论上的基础，利用加密算法及密钥对信息进行加密，但是随着计算机计算能力的快速发展，这种保密通信方式很快失效，加上物理层安全技术王权依赖物理性的固有特性，来实现保密通信，这样才能保证其更好的可靠性与安全性。

1 概念解析

无线通信系统中有很多专业的概念，只有大家了解了这些概念的基本意义，然能对相关物理层安全技术及在保密通信中的实际应用进行进一步的分析，下面我们就几个常见的概念进行分析。

1.1 分层协议结构

所有通信系统都是以如何完成通信可靠性、安全性、有效性来实现优化的。通信的可靠性指传输过程中对各种客观自然干扰能力进行抵抗的能力，同时在它在军事通信过程中，通常还包含抵抗人为设置干扰的能力；通信的安全性指传输过程中安全保密性能，也就是有关接收端防窃听以及发送端篡改等相关能力；通信的有效性指尽可能占有较少的时隙、频段及功率条件下，尽量传输多一些的信源信息。

物理层安全技术和以往的技术不同，主要利用无线信道的特性来实现有效的安全通信。因为无线信号传播具有开放性特点，其安全性面临着很多安全上的漏洞，具体可以从以下几方面分析：

（1）无线信道拥塞很容易会发生，攻击者会利用人为的方式使信道拥塞，通过这种方式来阻止合法用户与网络相连接，通常这种威胁是很难抵抗的。

（2）如果不能形成鉴权机制，那么攻击者就会未经授权即与网络资源相连接，进而得到涉密信息。

（3）由于无线传输介质本身具有开放性特点，窃听者往往不需要利用先进设备就可以获得传输信号。

1.2 保密容量

与主信道相比如果窃听信道的质量比较差，那么总会找到信道编码使用户可以正确解调，窃听者不能从得到的信号中获得任何信息，通过这种方式来达到保密状态。通常这种编码方式码率都会存在上限，即保密容量。合法信道和窃听信道之间信道容量之差即为加性高斯信道保密容量。随着近年来学术界对多天线信道、衰落信道等模型保密容量的研究，最终发现，衰落、干扰及多天线实际上都对保密信道带来了正面影响。

2 物理层安全技术及其在保密通信中的应用

物理层安全是指充分利用物理信道的互易性及唯一性，来实现信息加密，对合法用户与窃听者进行有效区分，通常它是作为上层安全的一种有效补充存在的，可以使整个系统的安全性能得到提升。

2.1 物理层密钥的应用

无线信道本身具有互易性、唯一性等特征，在短时间之内收发双方观察到的信道特征函数是一致的，如果利用链路信道状态信息作为密钥，那么收发双方则不需分发和管理密钥，直接保密通信。当前我们主要利用无线信道特征对密钥进行产生、管理及分发，同时充分结合传输技术及传输系统来产生密钥算法。这种方法中存在的问题在于，因为收发双方对信道的估计存在一定差异，如果可以将差异控制在一定范围，那么这种估计误差则不会影响密钥。

2.2 安全编码技术的应用

不管任何编码方式其目的都是一样的，在保证用户通信可靠性的基础上，使窃听者在比用户信道情况稍差的情况下，不能对信息进行可靠性辨识。经过一系列的研究发现，纠错码、极化码等经过适应性改变以后，都会达到保密容量极限，通常情况下保密容量信道编码都是安全编码。除此之外，代数预编码、空时编码等经过特殊设计以后，都能与保密信道容量相逼近。

2.3 协作干扰技术的应用

在整个窃听信道模型中，只有窃听信道信道容量比合法信道小，这样才能保证保密容量的存在，协作干扰技术应用的作用在于引入差异化干扰，这样窃听信道噪声水平就可以比合法信道高。人工加噪的方式其核心思想在于利用天线发送信号，人工噪声和合法信道中信道特征函数为相互正交的状态。经过随机扰动以后对发送信号乘以加权系数，那么就可以得到常熟，也就是说窃听信道系数是随机发生变化的。总之，通过这种方式可以使窃听信道噪声水平高于合法信道，也就是说窃听信道的质量没有合法信道信道的质量好，因此窃听者即使可以获得信号，也不能从信号中提取出有用的信息。

2.4 其他技术的应用

除了以上技术以外，还可以利用物理层信号细微特性对硬件设备的唯一性进行识别，通过这种方式也可以达到设备鉴权的作用，例如在雷达系统及卫星通信中应用射频指纹技术，同时与传感器网络相结合，这种情况下可以充分利用无线信道特征对窃听者与合法用户进行区分。

当前对信道估计技术的研究主要在基于信道估计准确层面上，也就是说一些信道的信息是确知的，经过大量研究发现，信道相位可以影响保密性，至于怎样对信道相位估计的准确性进行提高，或者说怎样在相位估计不准确的前提下，充分保证保密性能，这是未来研究的重要方向。

3 结语

综上所述，当前无线网络已经逐渐在民用通信及相关保密通信系统中取代了有线传输网络，然而利用无线媒质对信息进行传输的过程中，窃听、拥塞等问题不可避免会发生。基于此，本次研究主要针对物理层安全技术在无线网络中的应用展开分析，并分别对现有的物理层安全技术进行了说明，供大家参考。

参考文献

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[3]李雪梅，夏伦月.现场总线及其安全技术在铁路通信系统中的应用[J].科技资讯，2014（04）：13-14.

作者简介

曹文毓（1993-），男，陕西省西安市人。西安文理学院机械与材料工程学院12级教育物理专业在读本科学生。

作者单位

西安文理学院机械与材料工程学院 陕西省西安市 710065