隨著移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)得到更為廣泛的普及。然而，無(wú)線信道的開(kāi)放性、網(wǎng)絡(luò)的多樣性和復(fù)雜性，使得無(wú)線通信系統(tǒng)更容易受到其他用戶的安全攻擊。
在無(wú)線通信系統(tǒng)中，其性能指標(biāo)主要體現(xiàn)在有效性、可靠性、保密性等幾個(gè)方面。當(dāng)然，隨著人們?cè)诮鼛资曛袑?duì)通信領(lǐng)域不斷進(jìn)行研究，無(wú)線通信系統(tǒng)在有效性以及可靠性方面有了質(zhì)的提高。在有效性方面，全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(Global System for Mobile Communications，GSM)所支持的數(shù)據(jù)傳輸速率僅為9.6Kbit/s，而LTE-A(Long Term Evolution Advanced)的下行峰值速率將高達(dá)1Gbit/s。類似地，無(wú)線通信系統(tǒng)的可靠性也有了很大程度的提升。然而，隨著移動(dòng)通信的迅速普及和業(yè)務(wù)類型的多樣化，特別是很多金融業(yè)務(wù)開(kāi)始在智能終端中進(jìn)行，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的通信安全變得越來(lái)越重要。
由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放性，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)很容易受到多種安全問(wèn)題的困擾。首先，無(wú)線信道很容易受到干擾攻擊，惡意攻擊者可以通過(guò)在系統(tǒng)的工作頻段發(fā)送純?cè)肼曅盘?hào)，降低接收信號(hào)的質(zhì)量，影響無(wú)線通信系統(tǒng)的正常工作;其次，竊聽(tīng)者可以利用無(wú)線信道的廣播特性，非常容易接收到目標(biāo)信號(hào);最后，攻擊者可以利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放特性，非法接入目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，獲取網(wǎng)絡(luò)中的重要數(shù)據(jù)信息并實(shí)施攻擊。
目前，GSM、3G 等蜂窩系統(tǒng)中的安全主要是基于傳統(tǒng)的加密解密體系，在上層協(xié)議中保證系統(tǒng)的安全。相比于傳統(tǒng)的有線傳輸?shù)陌踩珕?wèn)題，無(wú)線通信系統(tǒng)更容易受到安全攻擊。對(duì)于傳統(tǒng)的加密解密方式，終端計(jì)算能力的增強(qiáng)以及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中密鑰分配，使傳統(tǒng)的基于協(xié)議的加密方式變得容易被破解。無(wú)線通信信道的開(kāi)放性造成無(wú)線信道非常容易受到竊聽(tīng)者的監(jiān)聽(tīng)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的多樣性和復(fù)雜性使得密鑰分配問(wèn)題凸顯，終端計(jì)算能力的增強(qiáng)同樣使得傳統(tǒng)的安全體系變得容易被破解。
基于信息安全理論的物理層安全技術(shù)成為重要的解決方案之一。
目前物理層安全技術(shù)中，保證系統(tǒng)安全性能的主要技術(shù)方案大致分為兩類：一類是利用編碼的方式，對(duì)傳統(tǒng)的信道糾錯(cuò)編碼進(jìn)行修改，使其同時(shí)兼具糾錯(cuò)能力與保密能力;另一類是預(yù)編碼技術(shù)，在保證合法信道正常接收的同時(shí)，降低竊聽(tīng)信道的質(zhì)量，提升系統(tǒng)的安全速率。
安全信道編碼的主要思想是充分地利用無(wú)線信道的非完美特點(diǎn)(噪聲、衰落以及干擾)，設(shè)計(jì)適合安全通信的信道編碼，不僅能夠?yàn)楹戏ㄐ诺肋M(jìn)行糾錯(cuò)，而且能夠保證信息安全，阻止竊聽(tīng)者接收到有效信息。安全信道編碼的兩個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)是嵌套式的編碼結(jié)構(gòu)和多個(gè)碼字之間的隨機(jī)特性。
物理層安全技術(shù)不依賴設(shè)備的計(jì)算能力，充分利用無(wú)線信道的隨機(jī)性，通過(guò)利用信道狀態(tài)信息(Channel State Information，CSI)，合理地設(shè)計(jì)信道編碼或預(yù)編碼，從信息論的角度，提高系統(tǒng)的安全性。
近年來(lái)，多天線技術(shù)得到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，它通過(guò)在發(fā)送端和接收端配備多個(gè)天線，實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用和發(fā)送-接收分集。
無(wú)線信號(hào)傳輸具有多徑傳播的特性，多天線技術(shù)可以利用其空間復(fù)用增益使信道容量得以提升，而無(wú)須額外的功率和頻譜開(kāi)銷。也可利用空間分集增益來(lái)對(duì)抗信道衰落，達(dá)到降低誤碼率，提高通信速率的效果。多天線技術(shù)因其具有分集和復(fù)用的效果而得到廣泛應(yīng)用，為物理層安全技術(shù)的發(fā)展提供了新的自由度。Hero 將單天線的物理層安全理論擴(kuò)展到了多天線系統(tǒng)，并說(shuō)明了在多天線系統(tǒng)下，安全速率大于單天線系統(tǒng)。多天線系統(tǒng)下的物理層安全研究還有很大的研究空間。在干擾信道、中繼信道等場(chǎng)景下，存在竊聽(tīng)者時(shí)，如何利用多天線的優(yōu)勢(shì)去最大化安全速率，一直驅(qū)使著學(xué)術(shù)界不斷地探索。目前，凸優(yōu)化方法已經(jīng)深入物理層安全的研究當(dāng)中。本書也將會(huì)利用該方法，通過(guò)研究和設(shè)計(jì)波束成形向量等方法，來(lái)解決物理層安全的問(wèn)題。
值得注意的是，隨著移動(dòng)設(shè)備數(shù)目的日益增長(zhǎng)，無(wú)線通信系統(tǒng)的能量需求也受到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，能量收集(Energy Harvesting，EH)被認(rèn)為是一項(xiàng)非常具有研究?jī)r(jià)值的技術(shù)。
在EH 中，射頻信號(hào)(Radio Frequency，RF)可以為能量收集設(shè)備提供能量。同時(shí)攜帶信息和能量的RF 方案稱為無(wú)線信息能量同時(shí)傳輸(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，SWIPT)。正如我們所知，在實(shí)際應(yīng)用中，干擾場(chǎng)景的應(yīng)用非常廣泛，現(xiàn)階段的4G 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，可以簡(jiǎn)化為干擾信道。從物理層安全的角度保證SWIPT 的安全通信也是近幾年的熱點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題。據(jù)我們所知，針對(duì)干擾網(wǎng)絡(luò)中能量收集器(Energy Receivers，ER)的竊聽(tīng)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景仍未有人涉及，并且前面提到的工作也都無(wú)法直接拓展到該場(chǎng)景中這也激勵(lì)了我們?nèi)ド钊胙芯窟@個(gè)場(chǎng)景。
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