25、无线传感、雷达与通信融合的物理层安全技术解析

最新推荐文章于 2025-09-22 16:06:01 发布

sql99

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分类专栏：物理层安全：无线通信新防线文章标签：物理层安全雷达与通信共存 MIMO

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无线传感、雷达与通信融合的物理层安全技术解析

雷达与通信共存的物理层安全

随着无线设备数量的增加和需求的提升，高数据速率服务所需的带宽量导致了频谱拥塞问题。为应对这一挑战，人们开发了各种频谱共享技术，其中雷达和通信频段的频谱共享是一种重要的解决方案。目前，中频段仍有很大一部分频谱已被雷达技术使用，为了使通信能够在这些频段中和谐且安全地共存，人们提出了不同的技术。

多输入多输出（MIMO）架构在雷达和通信系统中得到了广泛应用，因为它能够提供额外的空间自由度，从而带来更好的性能提升。传统上，雷达的发射功率比通信系统高得多，这会对通信接收器造成干扰。现有的针对这种情况的技术大多与干扰缓解有关，但从安全角度来看，这种雷达干扰可以被利用来干扰窃听者，保护机密信息。

为实现物理层安全（PLS），一种解决方案是将共存的雷达信号作为固有干扰信号，以干扰窃听者的接收，如下图所示：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px

    A(基站):::process -->|通信数据| B(环境):::process
    A -->|雷达脉冲/序列| B
    C(攻击者):::process --> B
    D(发射机):::process --> B

通信和雷达系统的发射波束形成器需要进行联合设计，以确保安全传输，并实现令人满意的雷达目标检测性能。具体而言，目标是在满足合法通信信干噪比（SINR）约束以保证合法传输的服务质量（QoS）、雷达目标检测概率约束以保证雷达性能以及雷达和通信系统的发射功率约束的前提下，最小化多个合法用户的最大窃听信干噪比。

非地面网络的物理层安全

自20世纪80年代第一个模拟通信网络建立以来，移动通信网络经历了显著的发展。平均每十年就会引入新一代的通信技术。目前，随着第五代（5G）网络的商业化，全球的研究机构将目光投向了预计在2030年左右推出的第六代（6G）网络。

6G网络预计在容量和对服务及应用的支持方面超越5G网络，成为2030年代智能信息社会的关键推动者。为了满足2030年代智能数据社会的需求，6G无线通信网络的研究已被提上日程。这个智能数据社会将是全数字化的、以数据为驱动的，并且由于近乎即时和不受限制的广泛无线连接而变得智能化。6G将连接一切，实现全面覆盖，并整合通信、传感、缓存、计算、控制、定位、雷达、导航和成像等所有功能，以实现全垂直应用。

因此，需要一个集成非地面和地面网络的多维网络来支持各种应用，包括航空飞行、海上旅行和陆地车辆。非地面网络（NTN）作为一种有效的解决方案应运而生，它可以补充地面网络，为未覆盖或服务不足的地理区域提供服务。NTN是一种网络，其中太空载具（如地球静止轨道（GEO）、中地球轨道（MEO）和低地球轨道（LEO）卫星）或机载载具（如无人机系统（UAS）和高空平台站（HAPS））作为中继节点或基站，区分透明和再生卫星系统。

不同类型的NTN平台具有不同的特点，如下表所示：
| 平台 | 高度范围 | 轨道 | 典型波束覆盖范围 |
| — | — | — | — |
| LEO卫星 | 300 - 1500 km | 绕地球的圆形轨道 | 100 - 1000 km |
| MEO卫星 | 7000 - 25000 km | 绕地球的轨道 | 100 - 1000 km |
| GEO卫星 | 35786 km | 相对于给定地球点的仰角和方位角的名义站位固定 | 200 - 3500 km |
| UAS平台（包括HAPS） | 8 - 50 km（HAPS为20 km） | - | 5 - 200 km |
| 高椭圆轨道（HEO） | 400 - 50000 km | 绕地球的椭圆轨道 | 200 - 3500 km |

卫星通信（SatCom）的一个关键组成部分是通过提供与距离无关的点对多点通信，同时高效地将信号传输到地球各地。然而，高轨道卫星通信由于其有限的分辨率和低延迟，不适合对延迟敏感的流量。预计低地球轨道（LEO）卫星将在未来的无线通信中发挥关键作用，因为它们能够提供高数据速率、低延迟和广泛的覆盖范围，包括那些难以或无法实现有线通信的农村地区。

不同类型的非地面网络平台具有各自的特点和优势，它们在未来的通信网络中将发挥不同的作用。例如，LEO卫星适合提供高数据速率和低延迟的服务，而HAPS系统则可以结合地面网络和卫星的优点，提供更广泛的覆盖范围和更低的成本。

在通信方式上，目前大多数卫星通信应用依赖于微波射频（RF）频段。RF通信的优点是在视距（LOS）和非视距（NLOS）情况下都可用，但它存在容量有限、频谱拥塞、带宽低和监管限制等问题，并且RF链路容易受到拦截或干扰，从而产生安全问题。为了满足高数据速率的需求，自由空间光（FSO）通信链路被认为是NTN的关键组成部分。

FSO通信能够确保高数据速率传输，且被拦截的概率较低，并在未授权频谱上提供视距连接。然而，FSO链路也存在一些问题，例如由于温度和压力变化导致的折射率波动，会使接收到的信号的相位和强度发生显著变化，特别是在长距离通信中。此外，FSO通信还容易受到湍流引起的信号衰减和干扰，如雾或雪会显著降低FSO链路的性能，而雨的影响相对较小。同时，光学卫星通信还容易受到光束闪烁和光束漂移的影响，特别是在链路通信中，光束漂移可能会导致光束位移和链路故障。

对于RF通信，现有的研究提出了不同的衰落模型，其中阴影莱斯（Shadowed-Rician）衰落模型被证明能够很好地模拟卫星通信中的RF信道。该模型假设视距路径的幅度由于建筑物、树木和山脉等障碍物而遵循Nakagami衰落，这使得模型更加真实，并且其主要优点是能够产生封闭形式和数学上易于处理的表达式。

对于FSO通信，其性能在不同的衰落信道中进行了研究，如对数正态、伽马 - 伽马和马拉加衰落模型。此外，指数威布尔（EW）衰落模型在光学NTN中也适用，特别是在采用孔径平均技术时，该技术可以通过对闪烁进行空间平均来减少湍流的影响，提高整体性能。

为了减少湍流的影响并提高系统的整体性能，可以将RF和FSO通信的互补特性结合使用。有两种可能的配置：一种是混合RF - FSO模型，在双跳架构中，一跳使用RF通信，另一跳使用FSO通信；另一种是混合RF/FSO配置，其中FSO与RF通信并行使用。通过使用这些配置，可以充分利用RF和FSO通信的优点，同时减少天气相关因素的影响。

在非地面网络中，传输私人数据的安全性是一个严重的问题。传统上，通信安全是通过在开放系统互连（OSI）模型的上层实施加密技术来实现的，这些方法根据共享密钥是公共的还是私有的进行分类。然而，随着计算机处理能力的快速发展和破解加密方案的方法不断涌现，对于需要高度安全的应用，这些传统技术已经不再适用。因此，物理层安全（PLS）作为一种能够提高信息安全性的技术，最近受到了广泛关注。与传统的加密算法相比，PLS利用信号和信道的特性，如差异和互易性，来实现安全传输。

综上所述，无论是雷达与通信共存的场景，还是非地面网络的通信环境，物理层安全技术都具有重要的意义和应用前景。通过合理利用各种技术和配置，可以提高通信的安全性和性能，满足未来智能信息社会的需求。

无线传感、雷达与通信融合的物理层安全技术解析

物理层安全具体技术及应用

物理层安全（PLS）通过利用信号和信道的特性来保障通信安全，以下是一些具体实现技术及其应用场景：

利用雷达干扰实现安全通信

在雷达与通信共存的系统中，可将雷达信号作为固有干扰信号来扰乱窃听者的接收。具体操作步骤如下：
1. 联合设计发射波束形成器 ：对通信和雷达系统的发射波束形成器进行联合设计，确保在满足合法通信信干噪比（SINR）约束、雷达目标检测概率约束以及发射功率约束的前提下，最小化多个合法用户的最大窃听信干噪比。
2. 信号特征分析 ：分析雷达信号和通信信号的特征，合理安排信号的发射时间、频率和功率等参数，使雷达信号既能有效进行目标检测，又能对窃听者形成干扰。
3. 实时监测与调整 ：实时监测通信系统和雷达系统的性能指标，根据实际情况动态调整发射波束形成器的参数，以适应不同的通信环境和干扰情况。

混合RF - FSO通信配置

为了结合RF和FSO通信的优势，减少天气等因素的影响，可采用混合RF - FSO通信配置，具体流程如下：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px

    A(信号源):::process -->|信号分发| B(RF通信模块):::process
    A -->|信号分发| C(FSO通信模块):::process
    B -->|一跳通信| D(中继节点):::process
    C -->|另一跳通信| D
    D -->|整合信号| E(接收端):::process