探讨物理层安全技术在无线通信中的应用

黄艳群 闽南理工学院

以往安全机制在现代无线通信系统中应用较为广泛，但其局限性也在无线通信系统的发展下不断凸显，包括资源限制、规模限制等，不能够完全的满足无线通信安全需求。针对这一情况，需要在无线通信系统的安全机制上做出更为深入的研究，而物理层安全技术是近年来关于此问题进行研究的主要方向，文中将以此作为基础点展开相关问题分析。

1 物理层安全技术分析

1.1 无线信道简述

无线信道也就是实现无线信息传输的环境，其具有着以下几种特征：第一，时间变化性。在实现无线通信期间，终端或是临近环境中人与物体的移动可能会引发无线信道反射、折射等变化，致使信道在时间的发展下不断的发生着转变，而这些元素也成为了无线通信过程中的不可控因素。第二，空间变化性。无线信道与地理环境存在着一定的相关关系，任何一个处在合法通信范畴之外的窃听者所出现的多径衰落与合法接受者的衰落不存在相关性，为此，参与通信活动的双方信道出现被其他用户窃听的可能性较低，若想进行恶意窃听，则需要极为接近合法通信的其中一个主体，但在此条件下，窃听用户的物理位置会面临着较大的暴露风险。

1.2 物理层安全技术应用特征

对于物理层安全技术的分析，首要关注的方向便应该是此项技术的应用特征，其原因在于，只有了解技术的应用特征才能够明确其适合应用在何种领域，以及能够发挥出何种价值。从多年来无线通信技术的应用情况来看，物理层安全技术在整个无线通信系统中的安全性与保密性特征较为明显。在对物理层安全技术进行深入探究中能够了解到，此项技术在通信过程中的安全性提升建立在多种技术的合理应用基础上，具体为：在通信期间参与通信活动的用户在物理层合法信道中，会应用到物理层安全技术的唯一性与互易性特征，其具体表现是经由通信信息加密管理对信道中的数据信息的合法性进行识别，对窃听或是信息截留等情况的发生加以控制。此种安全技术特征，极大的提升了无线通信的安全性以及数据信息的保密性。物理层安全模型如图1所示。

图1 物理层安全模型

1.3 物理层安全技术类别

依据物理层安全技术内容与应用形式可将其分为两种：其一，协作干扰技术。如图2所示。此项技术将窃听信道模型技术作为基础参考，对物理层安全技术给予加密，是近几年才出现的全新通信安全技术。在对此种技术进行应用的过程中，主要参与的是物理层安全技术的核心技术特征，对处于通信状态的信息进行保密编码，提升其安全性。基于此项技术实践期间充分的展现出物理层安全技术特征，同时其实用性特征也较为凸显，为此，促使其成为现代物理层安全技术研究的主要方向。其二，结合性安全技术。早期发展中的物理层安全技术，将物理层安全技术与以往信息加密干预形式进行了融合，在无线通信期间，应用结合性安全保密技术实现生产，对通信密码进行分别发送与统一管理，进一步强化了无线通信技术的安全性。

图2 协作干扰技术模型

1.4 物理层功能分析

无线信道也就是实现无线信息传输的环境，而物理层属于传输环境的最底层，也是与服务对象接触最近的一层结构，物理层所需要解决的问题包括以下几种：第一，物理层需要尽量控制物理设备与传输媒体，基于通信形式差异性所引发的数据链路层无法识别差异问题。第二，整个信息传输的实现需要具有为相应用户在物理传输媒体中传输与接受比特流的能力，基于此，物理层应该具备解决物理连接的创建以及维持与释放问题。物理层的主要功能包括以下几种：第一，物理层能够为数据终端提供传送数据通路，此项通路可直接为物理媒体，同时也可以是多个物理媒体所连接的结构，完整的进行数据传输。第二，形成符合数据传输所需实体，为数据传输进行服务。一方面需要确保数据可以在信道中顺利传输，另一个方面还需要提供适应的带宽，避免信道拥挤情况的出现。第三，做好物理层常规管理工作。

2 无线通信中的物理层安全技术应用

2.1 保密编码技术应用

对于物理层安全技术的应用是比较常见的通信安全防护手段，属于一种保密编码技术。在此项技术的应用期间，能够选择或是同时应用的信道编码方式众多，为进一步提升无线通信安全性提供了更多方向。此种技术的保密编码方式包括极化码、LDPC码、PC码等，基于其形式多样性以及多种选择可能性促使其在近年来得到了广泛的应用。在进行无线电保密编码期间，可依据编码块的长度提升，对编码率进行合理的控制，确保其应用可靠性。在此种环境中，参与通信活动的所有用户所应用到的无线信道在安全性上仅高于窃听者的一层，为此，可在实现通信的阶段中经由编码技术的应用来强化通信的安全性以及保密性。经由编码技术的应用，安全性并非建立在误差评估上，更多的是应用到对质疑度的评估，也就是对保密编码实践期间为用户提供的数据值给予评估。

2.2 协作干扰安全技术应用

对于无线通信安全物理层安全技术的应用，核心安全技术便是协作干扰技术，但在实践过程中，会针对用户用于通信的信道提出较高的要求，还需要具备较高的保密容量才可以保障无线通信安全技术的价值发挥。基于这一点来看，在对无线通信协作干扰技术进行应用时，可选择差异化的干扰技术对此种局限性加以突破，经由限制窃听方信道的安全性来提升通信用户信道的安全性及稳定性。此种技术应用过程可细分为多种形式：其一，应用无线通信中空域的对接特征，在通信期间促使信号空间能够与用户信道进行可靠对接，在此过程中将人工噪声对其他的用户信道实施干扰，实现双保障模式。此种安全模式环境下，促使参与通信中的人工干扰频率不会对通信用户的信道造成干扰作用，也极大的限制了除此之外各信道的稳定性，达到提升用户信道保密容量的效果，从而保障协作干扰技术的应用价值能够最大化的发挥。在实现此种安全保密工作时，信息的发布端与接收端用户应该预先构建协作节点，将节点作为基础对信道进行安全防护。其二，在无线通信环境下，在无线信号中乘以随机的保密系数，实现保密效果。在保密技术的设置上，应该在用户信道中保障系数组合能够有效的控制常态数据量。基于此种要求来看，促使其他信道用户在通信干扰数据的作用下，处于通信状态的信道质量会明显弱化，而实施保护用户的信道质量会得到提升，确保协作干扰机制的顺利实现。如图3所示，对于此项技术的应用，一方面需要参与通信活动的双方能够预先制定协作节点，另一个方面还需要对双方通信要求进行降低，具有着一定的灵活性特征。在实践应用期间，应该关注到的是结合实践通信应用需求明确最为可靠且具有可行性的干扰技术应用，将此作为基础条件确保协作干扰技术的价值能够最大化的发挥。

图3 协作干扰安全技术模型

3 结论

在无线通信技术应用中，无线信道具有着一定的开放性特征，而此特征促使其比较容易出现窃听或是信息篡改等情况，极大的影响到信息传送安全性以及保密性。从文中对物理层安全技术的应用分析结果来看，物理层安全技术主要有协作干扰安全技术以及结合性安全技术，而其中协作干扰技术在无线通信安全防护中的应用最为广泛，所能够发挥的价值也最大。经由协作干扰技术的应用，在受保护用户实现通信的过程中，其他信道的稳定性将会受到协作干扰技术的影响，从而保障了受保护用户信道的稳定性以及安全性。

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