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 引 言

隨著5G技術(shù)的發(fā)展，無線通信技術(shù)的應(yīng)用深入社會的各個領(lǐng)域，無線網(wǎng)絡(luò)(5G)深刻地影響著人們的日常生活和社會生產(chǎn)。無線網(wǎng)絡(luò)中的多種保密和敏感數(shù)據(jù)(如金融信息，個人銀行賬戶和信用卡信息，個人醫(yī)療信息)等呈海量式增長，隨之而來的是突出的信息安全問題，而保障無線通信系統(tǒng)的安全變得越來越重要[1-4]。相比于傳統(tǒng)的有線網(wǎng)路，無線信道具有開放和廣播的特性，使得無線通信網(wǎng)絡(luò)中的用戶很容易受到竊聽、攻擊和干擾[5]。傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)通常在鏈路層及其上層采用基于密碼學(xué)的加密算法來保證通信的安全性，如對稱密鑰加密和非對稱密鑰加密的應(yīng)用[6,7]。基于密碼學(xué)的加密算法的安全性建立基于計算安全，即在密鑰未知的情況下，攻擊者無法在有限時間內(nèi)通過有效計算完成解密。但是隨著計算機的計算能力提高，特別是量子計算技術(shù)[8]的快速發(fā)展，傳統(tǒng)加密算法所依賴的數(shù)學(xué)計算難度不足以抵抗攻擊，將導(dǎo)致現(xiàn)有的加密系統(tǒng)面臨極大的安全威脅[9] 。另一方面，在未來網(wǎng)絡(luò)的大量新型應(yīng)用場景中，如大規(guī)模 IoT 網(wǎng)絡(luò)[10]，將接入海量的資源受限傳感節(jié)點，使得基于密碼學(xué)的密鑰分發(fā)和管理的復(fù)雜度極高甚至難以實現(xiàn)。基于上述背景，無線通信系統(tǒng)物理層安全技術(shù)引起了學(xué)術(shù)界的和工業(yè)界的廣泛關(guān)注[3,11-13]。

相比于傳統(tǒng)的上層基于密鑰的安全機制，一方面，物理層安全機制利用無線通信信道的隨機性和唯一性，直接阻斷竊聽者從開放的無線鏈路獲取信息，為無線通信用戶提供輕重量高安全保障[14]。另一方面，隨著5G中大規(guī)模多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技術(shù)的發(fā)展，無線通信物理層資源越來越豐富，為實現(xiàn)物理層安全算法提供了有效的支撐。最后，物理層安全技術(shù)可以與現(xiàn)有的上層基于密鑰的安全技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)筑一個全方位的、多層次、高安全的立體化安全體系，滿足更多場景，更多業(yè)務(wù)，更多行業(yè)的安全需求。因此，物理層安全技術(shù)具有巨大的研究潛力。

基于極化調(diào)制的物理層安全技術(shù)

隨著無線技術(shù)的發(fā)展，極化調(diào)制不僅能提升通信系統(tǒng)性能，其在物理層安全方面的應(yīng)用也受到廣泛關(guān)注。現(xiàn)有研究均是從時頻域、空域引入物理層安全算法，事實上，除了載波的幅度、相位和頻率可以被調(diào)制承載有用信息外，信號的極化狀態(tài)也可以承載信息，而且對傳統(tǒng)調(diào)制技術(shù)具有很好的兼容性，因此，極化域有著巨大的物理層安全潛力。首先由于極化狀態(tài)是關(guān)于信號軌跡與旋向的描述，是信號的矢量特征，而傳統(tǒng)的盲識別和盲解調(diào)技術(shù)多是針對幅度、相位或頻率等構(gòu)成的標(biāo)量特征進行研究，而針對信號的矢量特征分析的研究非常少，如果合理地引入極化狀態(tài)調(diào)制，可以對抗基于標(biāo)量的物理層攻擊，在信息維度上獲得一定的物理層安全增益。其次，在傳統(tǒng)調(diào)制技術(shù)的基礎(chǔ)上引入極化狀態(tài)調(diào)制，可將傳統(tǒng)的二維平面星座與極化stokes空間結(jié)合形成高維空間中的星座，增大了星座結(jié)構(gòu)和映射規(guī)則設(shè)計的自由度，為進一步設(shè)計安全高效的星座結(jié)構(gòu)提供了空間。再次，極化調(diào)制具有方向依賴特性，接收機收到的極化狀態(tài)隨空間方位變化而變化，利用這一特性可以設(shè)計極化方向調(diào)制系統(tǒng)，進一步增加無線通信系統(tǒng)的安全性。最后，無線信道的去極化效應(yīng)使得信道具有更強的差異性和隨機性，可以進一步利用該特點設(shè)計加密算法惡化竊聽信道質(zhì)量。本文將從上述幾個方面對基于極化調(diào)制的物理層安全技術(shù)展開介紹。

1、基于極化高維星座的物理層安全技術(shù)

極化調(diào)制特殊的矢量特性和信道的去極化效應(yīng)為無線通信的物理層安全提供了資源。文獻[15]極化狀態(tài)調(diào)制與傳統(tǒng)調(diào)制技術(shù)相結(jié)合，極化狀態(tài)被用來承載機密信息建立隱蔽通信鏈路，通過高維星座設(shè)計，可實現(xiàn)在不改變功率譜分布的前提下，實現(xiàn)極化信息的傳輸。文獻[16]提出了一種安全高效的極化星座設(shè)計的方法，通過合理的利用極化星座的非線性，可以在保障頻譜效率的同時實現(xiàn)安全傳輸。文獻[17] 提出了一種基于極化多維星座的正交頻分復(fù)用(OFDM) 物理層安全通信機制，通過高維星座設(shè)計，可以有效地加密調(diào)制信息，保護無線通信的調(diào)制信息不被發(fā)現(xiàn)，從而保證無線通信的安全。

圖1 高維安全極化調(diào)制星座

2、基于極化方向特性的物理層安全技術(shù)

由于極化調(diào)制具有特殊的調(diào)制解調(diào)特性，極化調(diào)制通信具有方向依賴特性。Qi Shuai[18]將方向調(diào)制和極化調(diào)制相結(jié)合，利用方向調(diào)制中天線陣列的方向性和在理想方向信道的零空間上加干擾激勵，可以使竊聽者接收的信息產(chǎn)生畸變， 將極化調(diào)制(PM) 代替方向調(diào)制的 PSK 后，可以進一步增大竊聽者接收信息的誤碼率。文獻[19]提出一種基于方向-極化狀態(tài)調(diào)制技術(shù)的雙極化衛(wèi)星多輸入多輸出(multi input multi output，MIMO)安全傳輸方法，該方法將傳輸信號的極化狀態(tài)與接收機方位信息相結(jié)合，實現(xiàn)信號差異性發(fā)射，增大非期望方向接收機解調(diào)信息的難度。文獻[20]建模了極化狀態(tài)的空間方向依賴特性，并基于此方向依賴特性，設(shè)計了基于極化方向調(diào)制的物理層通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以具有更窄的主瓣和有效接收范圍。

圖2 極化狀態(tài)受空間影響熱度圖

3、基于無線信道去極化效應(yīng)的物理層安全技術(shù)

無線信道去極化效應(yīng)成為了限制極化調(diào)制在無線通信系統(tǒng)中應(yīng)用的最大瓶頸，但同時為物理層安全提供了資源。由于去極化效應(yīng)與信道密切相關(guān)，不同的無線信道受到的去極化效應(yīng)影響也有所不同，因此，無線信道去極化效應(yīng)是可以被用來加密信息。文獻[15]利用去極化效應(yīng)對合法信道進行了預(yù)補償，消除去極化效應(yīng)對合法接收信道影響的同時惡化了竊聽信道接收質(zhì)量。文獻[21]利用極化狀態(tài)與傳統(tǒng)調(diào)制技術(shù)相結(jié)合設(shè)計高維星座，進一步基于信道去極化效應(yīng)設(shè)計信道預(yù)編碼矩陣，增大合法接受者和竊聽端在極化域的信道差異實現(xiàn)物理層安全傳輸。

圖3 極化星座收到信道去極化效應(yīng)產(chǎn)生畸變

結(jié) 語

雖然極化狀態(tài)調(diào)制已經(jīng)在物理層安全領(lǐng)域得到了部分應(yīng)用，然而現(xiàn)有的基于極化狀態(tài)調(diào)制的物理層安全傳輸系統(tǒng)都是基于信道的去極化效應(yīng)實現(xiàn)物理層安全防護，極化域的很多信息沒有得到充分應(yīng)用，在物理層安全領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。

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