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  • 5G 中的物理层安全关键技术


    发布时间:2021-01-11   浏览次数: 150 次

  • 随着移动通信技术的快速发展,无线网络得到更为广泛的普及。然而,无线信道的开放性、网络的多样性和复杂性,使得无线通信系统更容易受到其他用户的安全攻击

      在无线通信系统中,其性能指标主要体现在有效性、可靠性、保密性等几个方面。当然,随着人们在近几十年中对通信领域不断进行研究,无线通信系统在有效性以及可靠性方面有了质的提高。在有效性方面,全球移动通信系统(Global System for Mobile Communications,GSM)所支持的数据传输速率仅为9.6Kbit/s,而LTE-A(Long Term Evolution Advanced)的下行峰值速率将高达1Gbit/s。类似地,无线通信系统的可靠性也有了很大程度的提升。然而,随着移动通信的迅速普及和业务类型的多样化,特别是很多金融业务开始在智能终端中进行,无线网络中的通信安全变得越来越重要。

      由于无线网络的开放性,无线通信网络很容易受到多种安全问题的困扰。首先,无线信道很容易受到干扰攻击,恶意攻击者可以通过在系统的工作频段发送纯噪声信号,降低接收信号的质量,影响无线通信系统的正常工作;其次,窃听者可以利用无线信道的广播特性,非常容易接收到目标信号;最后,攻击者可以利用无线网络的开放特性,非法接入目标网络,获取网络中的重要数据信息并实施攻击。

      目前,GSM、3G 等蜂窝系统中的安全主要是基于传统的加密解密体系,在上层协议中保证系统的安全。相比于传统的有线传输的安全问题,无线通信系统更容易受到安全攻击。对于传统的加密解密方式,终端计算能力的增强以及无线网络中密钥分配,使传统的基于协议的加密方式变得容易被破解。无线通信信道的开放性造成无线信道非常容易受到窃听者的监听,无线网络的多样性和复杂性使得密钥分配问题凸显,终端计算能力的增强同样使得传统的安全体系变得容易被破解。

      基于信息安全理论的物理层安全技术成为重要的解决方案之一。

      目前物理层安全技术中,保证系统安全性能的主要技术方案大致分为两类:一类是利用编码的方式,对传统的信道纠错编码进行修改,使其同时兼具纠错能力与保密能力;另一类是预编码技术,在保证合法信道正常接收的同时,降低窃听信道的质量,提升系统的安全速率。

      安全信道编码的主要思想是充分地利用无线信道的非完美特点(噪声、衰落以及干扰),设计适合安全通信的信道编码,不仅能够为合法信道进行纠错,而且能够保证信息安全,阻止窃听者接收到有效信息。安全信道编码的两个关键特点是嵌套式的编码结构和多个码字之间的随机特性。

      物理层安全技术不依赖设备的计算能力,充分利用无线信道的随机性,通过利用信道状态信息(Channel State Information,CSI),合理地设计信道编码或预编码,从信息论的角度,提高系统的安全性。

      近年来,多天线技术得到人们越来越多的关注,它通过在发送端和接收端配备多个天线,实现空间复用和发送-接收分集。

      无线信号传输具有多径传播的特性,多天线技术可以利用其空间复用增益使信道容量得以提升,而无须额外的功率和频谱开销。也可利用空间分集增益来对抗信道衰落,达到降低误码率,提高通信速率的效果。多天线技术因其具有分集和复用的效果而得到广泛应用,为物理层安全技术的发展提供了新的自由度。Hero 将单天线的物理层安全理论扩展到了多天线系统,并说明了在多天线系统下,安全速率大于单天线系统。多天线系统下的物理层安全研究还有很大的研究空间。在干扰信道、中继信道等场景下,存在窃听者时,如何利用多天线的优势去最大化安全速率,一直驱使着学术界不断地探索。目前,凸优化方法已经深入物理层安全的研究当中。本书也将会利用该方法,通过研究和设计波束成形向量等方法,来解决物理层安全的问题。

      值得注意的是,随着移动设备数目的日益增长,无线通信系统的能量需求也受到了学术界和产业界的广泛关注,能量收集(Energy Harvesting,EH)被认为是一项非常具有研究价值的技术。

      在EH 中,射频信号(Radio Frequency,RF)可以为能量收集设备提供能量。同时携带信息和能量的RF 方案称为无线信息能量同时传输(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)。正如我们所知,在实际应用中,干扰场景的应用非常广泛,现阶段的4G 异构网络,可以简化为干扰信道。从物理层安全的角度保证SWIPT 的安全通信也是近几年的热点关注问题。据我们所知,针对干扰网络中能量收集器(Energy Receivers,ER)的窃听风险场景仍未有人涉及,并且前面提到的工作也都无法直接拓展到该场景中这也激励了我们去深入研究这个场景。

      在这样的背景下,本书作者在大量的研究与长时间的成果积累后,撰写了《5G 中的物理层安全关键技术》(吕铁军,粟欣著. 北京:科学出版社,2020.12)。

      本书系统介绍物理层安全的相关技术,并对我们的新成果进行总结和介绍,在对物理层基本技术,如无线携能协作网络等做了详述,具体安排如下。


    •   第1 章为绪论。


    •   第2 章,我们介绍关于无线携能传输、MIMO 系统中的物理层安全以及协作网络的基本概念。


    •   第3 章阐述作者的研究,提出一些多天线系统中安全技术方案。


    •   第4 章提出不同网络中的波束成形和功率分配方法,介绍物理层安全中的预编码方法。


    •   第5 章介绍物理层中BF-AN 设计以及结合安全的能量收集方法。


    •   第6 章介绍AWGN 信道下的供给检测。


    •   第7 章介绍Byzantine 攻击检测,并分析系统的性能。


    •   第8 章介绍异构网络中的波束成形技术。


    •   第9 章介绍多播网络中的波束成形技术,并分析得出系统的能量效率以及性能。


    •   第10 章介绍异构网络中无线安全信息和能量传输,并分析系统的性能。



      本文摘编自《5G 中的物理层安全关键技术》(吕铁军,粟欣著. 北京:科学出版社,2020.12)一书“前言”“第1 章 绪 论”,有删减修改,标题为编者所加。

      (已出版6种)

      本书从5G车联网的特征与需求出发,循序渐进、全面系统地阐述5G车联网的关键技术和重要应用。本书第1章介绍车联网的发展以及5G车联网的特征与需求。第2章分析5G核心通信技术下车联网通信信道的特征和建模方法,并给出多种5G车联网系统信道模型。在5G车联网通信信道建模的基础上,第3章和第4章分别详细论述适用于5G车联网通信系统的物理层关键技术和MAC层方案设计。第5章重点介绍5G车联网的多个应用方向,包括无人机辅助数据分发、多车协同定位、无人车协作感知、分布式数据存储和物理层安全研究等。第6章进行总结与展望。

      02

      无线数据与能量一体化通信网络

      ISBN 978-7-03-0657145

      杨鲲 等著.

      北京:科学出版社,2020. 09

      本书针对用户终端设备、物联网设备和移动运营商的实际需求,同时面向应急灾备等应用的装备通信和供能问题,围绕基于无线射频信号的数据和能量一体化传输机理,全面审视数能传输的技术架构,对该技术展开自底向上的全面介绍。首先,对现有蜂窝通信系统(包括5G)、物联网通信系统、多种新能源采集技术和无线传能技术展开综述。其次,对基于新能源采集的无线通信系统的最新研究进行介绍。然后,对射频信号通信和传能硬件实现技术进行总结,并从编码调制角度、收发机前端架构设计、数据能量一体化资源分配及组网技术方面进行详尽的讨论。最后,对基于其他传输介质的数能一体化传输系统进行概述。

      03

      大规模MIMO无线通信

      ISBN 978-7-03-065879-1

      高西奇 等著.

      北京:科学出版社,2020. 09

      大规模多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)无线通信能够显著地提升系统频谱和功率效率,是近年来无线移动通信领域最为活跃的研究方向。本书系统讨论大规模MIMO无线通信理论与技术,主要包括大规模MIMO信道模型、大规模MIMO信道状态信息获取、大规模MIMO上下行数据传输、大规模MIMO全向预编码传输以及波束域大规模MIMO光无线通信等内容。

      04

      全双工无线通信理论与技术

      ISBN 978-7-03-066188-3

      张中山 著.

      北京:科学出版社,2020. 10

      随着移动通信技术的快速发展以及智能终端的迅速普及,网络数据量呈指数增长,这对无线频谱效率提出了更高要求。同时同频全双工技术应运而生,有望获得比传统半双工技术高出将近一倍的频谱效率。本书重点介绍了全双工系统的核心技术,即自干扰消除,总结了国内外最新研究成果,阐述了主动与被动自干扰消除方法及其特点,并在此基础上介绍了全双工MAC协议的设计与优化。最后,探讨和分析了无线全双工技术的主要应用领域,并对未来重点研究方向进行了展望。

      05

      5G 中的物理层安全关键技术

      ISBN 978-7-03-062978-4

      吕铁军,粟欣著

      北京:科学出版社,2020.12

      本书首先介绍物理层安全中关键的技术,然后对新型场景下物理层安全关键技术的应用与算法设计进行深入详尽的分析与研究。第1 章主要介绍物理层的研究背景和研究现状。第2~5 章给出多天线系统中物理层安全的基本概念,提出不同的安全技术方案,以及波束成形和功率分配方法。第6~10 章介绍多播网络中的安全波束成形技术,分析无线安全信息和能量传输的能量效率以及性能。

      06

      可见光通信系统高效传输理论及关键技术

      ISBN 978-7-03-065912-5

      朱义君,张艳语著

      北京:科学出版社,2020.12

      本书对可见光通信的最新研究成果进行认真梳理,从基础理论和传输技术角度对可见光通信系统中的高效传输问题进行详细分析,系统介绍可见光通信系统的高效传输理论,分别对不同场景的高效传输方案进行论述。作为可见光通信高效传输理论及技术的应用,最后介绍典型的阵列可见光通信实验系统。

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