21、无线物理层安全与加密技术解析

无线物理层安全与加密技术解析

1. 引言

在无线通信领域，安全是至关重要的问题。现有的上层加密方案通常计算复杂，会增加延迟，且其安全性完全依赖于加密算法的复杂度。而物理层安全（PLS）和物理层加密（PLE）为无线通信安全提供了新的思路。

2. 物理层安全（PLS）

PLS从信息理论的角度提供了不可破解、可量化和可证明的保密性，它利用无线信道的特性来提高可靠性和安全性。以下是几种常见的PLS方案：
- 信息 - 理论安全 ：一种基于信息理论的密码系统，其保密性主要源于信息理论。基本原理是通过数学结构的特性将有效明文转换为可靠的密文。例如Claude Shannon提出的安全原则，使用密钥加密消息，但在无线网络中，密钥管理困难。Wyner改进了该模型，实现了无密钥的安全通信，但由于密钥生成和分发困难以及时变衰落效应，实际应用受限。
- 人工噪声辅助安全 ：通过降低对手的信道容量来增强安全性能。基本原理是同时传输消息和生成的噪声，以降低对手的性能。在AN预编码中，源节点将传输功率分配给合法接收者的数据传输和向窃听者的噪声传输，但如果窃听者的信道优于接收者，则无法保证保密性，且需要额外的能量。
- 安全导向波束形成 ：广泛应用于中继系统，可提高接收端的信噪比，控制传输方向，集中能量在指定方向，抑制其他方向的能量。但存在功率通过旁瓣扩散的问题，且计算成本高，实现困难。
- 安全分集技术 ：用于增强传输可靠性和无线安全性，减少接收端的衰落持续时间。包括MIMO、多用户和协作分集等方法。
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