26、非地面网络中的物理层安全：RF与FSO通信的窃听分析

非地面网络中的物理层安全：RF与FSO通信的窃听分析

1. 物理层安全概述

物理层安全（PLS）是信息论安全中的常用术语，它能够保障合法用户的通信安全，而无需考虑非法用户的计算能力。早在1949年，Shannon就率先提出了不依赖计算限制的信息论安全。随后，Wyner引入了窃听模型，该模型认为主信道应优于窃听者信道，以确保通信的完美保密性。

在现有的研究中，大部分工作聚焦于射频（RF）窃听，即窃听者从RF信道截取信息。近年来，PLS也被应用于自由空间光通信（FSO）。在光通信中，窃听者需靠近通信用户，以收集环境中气溶胶或气体反射的光束。不过，如果攻击者在截取信号时阻断激光束，合法接收者能够检测到功率损失，从而出于安全考虑终止传输。此外，当严重的指向误差或衍射导致合法用户之间出现对准偏差时，也可能发生窃听情况，此时光束会分散，窃听者可能获取折射光束。

尽管光通信存在被窃听的风险，但对PLS性能的研究却相对较少。相关研究探讨了不同窃听者位置下的PLS情况，发现当攻击者靠近发射机时，大气条件对保密性能的影响较小；当窃听者靠近主发射机时，由于信号在大气中传播时会经历巨大衰减，因此更容易捕获信号。此外，还有研究推导了在存在指向误差的情况下，Málaga大气湍流衰落中的平均保密容量（ASC）、保密中断概率（SOP）和严格正保密容量（SPSC）的闭式表达式，以及研究了FSO通信在“有效保密吞吐量”这一新指标下的性能，还有针对对数正态衰落模型在广义对准偏差和大气湍流条件下的ASC进行了研究。最近，有研究建议在存在指向误差的情况下，向Gamma - Gamma衰落的FSO信道添加人工噪声，以提高FSO信道的保密性能。然而，目前的研究主要集中在地面级别的光窃听，对于非地面网络（NTNs）中FSO的PLS研究仍存在较大差距。

2. RF通信中的窃听

2.1 系统模型

为了研究下行链路卫星通信（SatCom）中的RF窃听问题，提出了一种新的高空平台站（HAPS）辅助双跳下行链路通信系统。该系统中，一颗低地球轨道（LEO）卫星以500 km的轨道高度绕地球运行，通过位于14 km高空的准静止HAPS节点与地面站（GS）进行通信，而位于地面的非法攻击者试图捕获传输的信号。其中，LEO卫星与HAPS节点之间采用FSO通信，HAPS与地面接收者之间采用RF通信。

2.2 保密性能分析

在该场景中，FSO通信遵循Gamma - Gamma衰落，RF信道遵循阴影Rician衰落模型。考虑解码转发（DF）中继方案，系统的整体信噪比（SNR）可以表示为：
[γ_0 = \min (γ_{FSO_{SR}}, γ_{RF_{RD}})]
其中，(γ_{FSO_{SR}} = \frac{P_s}{N_0}I_{SR}^2) 定义了FSO信道的瞬时SNR，(γ_{RF_{RD}} = \frac{P_R}{N_0}|h_{RD}|^2) 表示预期接收者的瞬时SNR。

对于RF链路，接收SNR的概率密度函数（PDF）和累积分布函数（CDF）分别为：
[f_{RF_{γ_z}}(γ) = \sum_{k = 0}^{m_z - 1} \frac{α_z(1 - m_z) k \cdot (-δ_z)^kγ^k}{γ_z^{k + 1} \cdot (k!)^2} \exp(-λ_zγ)]
[F {RF_{γ_z}}(γ) = 1 - \sum_{k = 0}^{m_z - 1} \sum_{i = 0}^{k} \frac{α_z(1 - m_z)_k \cdot (-δ_z)^kγ^i}{i!λ_z^{k - i + 1}γ_z^{k + 1} \cdot k!} \exp(-λ_zγ)]
其中，(λ_z = \frac{β_z - δ_z}{γ_z})，(γ_z) 表示 (h_z) 的平均SNR，(α_z = \frac{1}{2b_z}(\frac{2b_zm_z}{2b_zm_z + Ω_z})^{m_z})，(β_z = \frac{1}{2b_z})，(δ_z = \frac{Ω_z}{2b_z(2b_zm_z + Ω_z)})，(m_z) 是相应链路的Nakagami参数，(Ω_z) 和 (2b_z) 分别是视距（LoS）分量和多径分量的平均功率，((·)_k) 表示Pochhammer符号。

对于FSO通信，在HAPS节点处的瞬时SNR的PDF和CDF可以表示为：
[f_{FSO_{γ_{SR}}}(γ) = \frac{ξ^2}{rΓ(α)Γ(β)γ} G_{1,3}^{3,0} \left[ \frac{hαβ(\frac{γ}{μ_r})^{\frac{1}{r}}}{1} \left| \begin{array}{c} ξ^2 + 1 \ ξ^2, α, β \end{array} \right. \right]]
[F_{FSO_{γ_{SR}}}(γ) = \frac{ξ^2r^{α + β - 2}}{2πr^{-1}Γ(α)Γ(β)} G_{r + 1,3r + 1}^{3r,1} \left[ \frac{(hαβ)^r}{μ_r^r r^{2r}}γ \left| \begin{array}{c} 1, k_1 \ k_2, 0 \end{array} \right. \right]]
其中，参数 (r) 表示HAPS节点使用的检测类型（(r = 1) 表示外差检测（HD），(r = 2) 表示强度调制直接检测（IM/DD）），系数 (ξ) 表示接收端的指向误差位移，(α) 和 (β) 表示大气湍流条件引起的衰落和闪烁的严重程度，(h = \frac{ξ^2}{ξ^2 + 1})，(μ_r) 是特定检测类型下相应FSO链路的平均SNR，(G_{p,q}^{m,n}) 是Meijer G函数。此外，(k_1 = Δ(r, ξ^2 + 1))，(k_2 = Δ(r, ξ^2))，(Δ(r, α))，(Δ(r, β))，其中 (Δ(k, a) = \frac{a}{k}, \frac{a + 1}{k}, \cdots, \frac{a + k - 1}{k})。

2.3 保密性能指标计算

SOP的表达式可以写为：
[P_{SO} = Pr[C_s < R_s] = Pr[\log_2(1 + γ_D) - \log_2(1 + γ_E) < R_s] = \int_{0}^{\infty} F_{γ_0}(γγ_{th} + γ_{th} - 1) f_{γ_E}(γ) dγ \approx \int_{0}^{\infty} F_{γ_0}(γγ_{th}) f_{γ_E}(γ) dγ]
其中，(γ_{th} = 2^{2R_s})，(R_s) 表示保密速率，(γ_E) 是窃听者的瞬时SNR。

通过相关计算，可以得到SOP的闭式表达式：
[P_{SO} = 1 - \sum_{p = 0}^{m_{RD} - 1} \sum_{t = 0}^{p} \frac{α_{RD}(1 - m_{RD}) p \cdot (-δ {RD}) p}{t!λ {RD}^{p - t + 1}γ_{RD}^{p + 1} \cdot p!} \sum_{q = 0}^{m_{RE} - 1} \frac{α_{RE}(1 - m_{RE}) q \cdot (-δ {RE}) q}{γ {RE}^{q + 1} \cdot (q!)^2} γ_{th}^t \left[ (λ_{SD}γ_{th})^{-(q + t + 1)} G_{1,1}^{1,1} \left( \frac{λ_{SE}}{λ_{SD}γ_{th}} \left| \begin{array}{c} -(q + t) \ 0 \end{array} \right. \right) - G_{r + 2,3r + 1}^{3r,2} \left( \frac{Dγ_{th}}{(λ_{RE} + λ_{RD}γ_{th})} \left| \begin{array}{c} 1, -(q + t), k_1 \ k_2, 0 \end{array} \right. \right) B(λ_{RE} + λ_{RD}γ_{th})^{-(q + t + 1)} \right]]

正保密容量概率（PPSC）的表达式可以通过以下公式得到：
[P_{PPSC} = Pr[\log_2(1 + γ_0) - \log_2(1 + γ_E) > 0]]
经过一些推导，可以得到：
[P_{PPSC} = 1 - \int_{0}^{\infty} F_{γ_D}(γ) f_{γ_E}(γ) dγ]
最终的PPSC表达式为：
[P_{PPSC} = \sum_{p = 0}^{m_{RD} - 1} \sum_{t = 0}^{p} \frac{α_{RD}(1 - m_{RD}) p \cdot (-δ {RD}) p}{t!λ {RD}^{p - t + 1}γ_{RD}^{p + 1} \cdot p!} \sum_{q = 0}^{m_{RE} - 1} \frac{α_{RE}(1 - m_{RE}) q \cdot (-δ {RE}) q}{γ {RE}^{q + 1} \cdot (q!)^2} γ_{th}^t \left[ (λ_{SD}γ_{th})^{-(q + t + 1)} G_{1,1}^{1,1} \left( \frac{λ_{SE}}{λ_{SD}γ_{th}} \left| \begin{array}{c} -(q + t) \ 0 \end{array} \right. \right) - G_{r + 2,3r + 1}^{3r,2} \left( \frac{Dγ_{th}}{(λ_{RE} + λ_{RD}γ_{th})} \left| \begin{array}{c} 1, -(q + t), k_1 \ k_2, 0 \end{array} \right. \right) B(λ_{RE} + λ_{RD}γ_{th})^{-(q + t + 1)} \right]]

2.4 数值结果分析

在数值计算中，对于FSO信道，采用了波长为1550 nm的外差检测技术，假设风速为65 m/s，天顶角为75°。对于RF链路，考虑了不同的阴影级别，包括频繁重度阴影（(m = 1.0)，(b = 0.063)，(Ω = 8.94×10^{-4})）、平均阴影（(m = 10)，(b = 0.126)，(Ω = 0.835)）和不频繁轻度阴影（(m = 19)，(b = 0.158)，(Ω = 1.29)），保密阈值设定为 (R_s = 0.01) nats/s/Hz。

• SOP与平均SNR和窃听者SNR的关系 ：图展示了在频繁重度阴影条件下，SOP随每跳平均SNR (γ) 的变化情况，不同曲线对应不同的窃听者SNR (γ_E)。理论曲线（实线）通过蒙特卡罗（MC）模拟（圆圈）进行了验证，结果表明模拟结果与推导结果吻合良好。同时，从图中可以看出，(γ_E) 值越大，SOP性能越低，且该方案优于直接RF SatCom方案，这是因为卫星与GS之间的距离较远，导致路径损耗较大。
• 指向误差对SOP的影响 ：研究了频繁重度阴影和平均阴影条件下指向误差对SOP的影响。当 (ξ = 1.1) 时，平均阴影下的SOP性能优于频繁重度阴影；当 (ξ = 0.8) 时，平均阴影下的SOP整体性能恶化。这是因为较高的指向误差会导致严重的对准偏差，尽管HAPS与地面之间的信道有所改善，但卫星与HAPS之间的链路仍主导着通信。
• PPSC与窃听者SNR的关系 ：展示了在频繁重度阴影条件下，当 (ξ = 6.7) 时，PPSC随每跳平均SNR (γ) 的变化情况，不同曲线对应不同的 (γ_E) 值。结果表明，(γ_E) 越低，PPSC越高，这证明了 (γ_E) 在确保安全通信中的重要性。

2.5 研究结论总结

• 极端阴影条件会对HAPS辅助的FSO - RF SatCom的整体保密性能产生负面影响。
• 由于HAPS节点位于平流层，卫星与HAPS节点之间的FSO信道不会受到恶劣天气的显著影响。因此，即使在强风条件下，HAPS也能确保安全通信，从而提高整体保密性能。
• 研究结果表明，较大的指向误差值有助于提高整体性能。由于 (ξ) 与通信节点的对准偏差相关，因此可以将其视为FSO通信设计中的关键参数。
• 窃听者的平均SNR可以被视为保障HAPS辅助SatCom安全的重要指标。

3. FSO通信中的窃听

3.1 系统模型

考虑了两种FSO窃听场景，用于航空网络的下行链路通信。

场景	描述
HAPS窃听	LEO卫星与位于平流层的合法准静止HAPS节点通信时，HAPS窃听者试图拦截信号。
UAV窃听	HAPS节点向靠近地面的UAV系统传输敏感数据时，附近的UAV试图捕获传输信号。

两种场景的FSO信道均采用EW衰落模型，并推导了在EW衰落信道上FSO窃听的SOP和PPSC表达式。

3.2 保密性能分析

对于两种模型，节点 (j)（(j \in {D, E})）的瞬时接收SNR可以表示为：
[γ_j = \frac{P_j}{N_0} f_j^2 I_j^2 = \bar{γ}_j I_j^2]
其中，(f_j) 表示取决于飞行平台高度的衰减，(\bar{γ}_j) 表示节点 (j) 的平均SNR，(E[I_j^2] = 1)。

考虑所有链路的EW分布，PDF和CDF分别为：
[f_{I_j}(I) = \frac{α_jβ_j}{η_j} \left( \frac{I}{η_j} \right)^{β_j - 1} \exp \left[ - \left( \frac{I}{η_j} \right)^{β_j} \right] \left[ 1 - \exp \left[ - \left( \frac{I}{η_j} \right)^{β_j} \right] \right]^{α_j - 1}]
[F_{γ_j}(γ) = \sum_{\rho = 0}^{\infty} \binom{α_j}{\rho} (-1)^{\rho} \exp \left[ - \rho \left( \frac{γ}{η_j^2 \bar{γ} j} \right)^{\frac{β_j}{2}} \right]]
其中，(η_j) 是尺度参数，(α_j) 和 (β_j) 是形状参数，可以表示为：
[α_j = 7.220 \times \sigma {I_j}^{\frac{2}{3}} Γ \left( 2.487\sigma_{I_j}^{\frac{2}{6}} - 0.104 \right)]
[β_j = 1.012 \left( α_j\sigma_{I_j}^2 \right)^{-\frac{13}{25}} + 0.142]
[η_j = \frac{1}{α_jΓ(1 + \frac{1}{β_j}) g_1(α_j, β_j)}]
其中，(Γ(·)) 表示Gamma函数，(g_1(α_j, β_j)) 是与 (α_j) 和 (β_j) 相关的常数变量。

(γ_E) 的PDF可以通过对 (F_{γ_E}(γ)) 关于 (γ) 求导得到：
[f_{γ_E}(γ) = \frac{α_Eβ_Eγ^{\frac{β_E}{2} - 1}}{2(η_E^2 \bar{γ} E)^{\frac{β_E}{2}}} \sum {k = 0}^{\infty} \binom{α_E - 1}{k} (-1)^k \exp \left[ -(k + 1) \left( \frac{γ}{η_E^2 \bar{γ}_E} \right)^{\frac{β_E}{2}} \right]]

通过一系列计算，可以得到SOP和PPSC的最终表达式：
[P_{SO} = \frac{α}{(η^2 \bar{γ} E)^{\frac{β}{2}}} \sum {\rho = 0}^{\infty} \binom{α}{\rho} (-1)^{\rho} \sum_{k = 0}^{\infty} \binom{α - 1}{k} (-1)^k \left[ (k + 1) \left( \frac{1}{η^2 \bar{γ} E} \right) + \rho \left( \frac{γ {th}}{η^2 \bar{γ} D} \right) \right]^{-\frac{β}{2}}]
[P {PPSC} = 1 - \frac{α}{(η^2 \bar{γ} E)^{\frac{β}{2}}} \sum {\rho = 0}^{\infty} \binom{α}{\rho} (-1)^{\rho} \sum_{k = 0}^{\infty} \binom{α - 1}{k} (-1)^k \left[ (k + 1) \left( \frac{1}{η^2 \bar{γ} E} \right) + \rho \left( \frac{γ {th}}{η^2 \bar{γ}_D} \right) \right]^{-\frac{β}{2}}]

3.3 数值结果分析

在数值计算中，对于HAPS窃听场景，LEO卫星在距地球表面500 km的轨道上运行，HAPS接收者和窃听者位于距地球表面18 km处，风速设定为65 m/s，并考虑不同的孔径大小 (D_G)。对于UAV窃听场景，HAPS节点位于20 km处，UAV接收者和窃听者在距地面200 m处悬停，考虑了米氏散射和薄卷云的存在，并考虑了不同的风速。两种模型的光波长均为1550 nm，保密速率设定为 (R_s = 0.01) nats/s/Hz。

• 天顶角对保密性能的影响 ：研究了天顶角对两种场景保密性能的影响。理论结果与MC模拟结果吻合良好，表明HAPS窃听在保密性能上优于UAV窃听，这是因为HAPS层受到的衰减和大气湍流较小。同时，两种场景的整体保密性能随着天顶角的增大而下降。
• 孔径大小对SOP的影响 ：研究了HAPS窃听场景中，合法接收者不同孔径大小对SOP的影响。结果表明，增大主接收者的孔径直径可以提高保密性能，因为较大的孔径可以使接收者收集更多的信号，并且孔径大小对闪烁指数有显著影响，有助于减少大气湍流的负面影响。
• 窃听者平均SNR对PPSC的影响 ：研究了不同 (γ_E) 值对PPSC的影响。对于HAPS窃听，天顶角设定为 (ξ = 80^{\circ})；对于UAV窃听，天顶角设定为 (ξ = 70^{\circ})。结果表明，(γ_E) 越低，PPSC性能越好，这再次证明了 (γ_E) 在保密性能中的重要性。同时，模拟结果与分析结果的良好吻合验证了分析的正确性。

综上所述，无论是RF通信还是FSO通信，在NTNs中都面临着窃听的挑战。通过对不同系统模型的研究和分析，我们可以更好地理解各种因素对保密性能的影响，从而为设计更安全的通信系统提供参考。在实际应用中，需要根据具体的场景和需求，综合考虑各种因素，选择合适的通信方案和参数，以提高通信的安全性。

4. 综合对比与总结

4.1 RF与FSO通信窃听特性对比

通信类型	窃听特点	衰落模型	影响因素
RF通信	地面非法攻击者可尝试捕获信号，受卫星与地面站距离导致的路径损耗影响	RF信道遵循阴影Rician衰落模型，FSO通信遵循Gamma - Gamma衰落	阴影级别、指向误差、窃听者平均SNR
FSO通信	窃听者需靠近通信用户收集反射光束，HAPS窃听和UAV窃听有不同场景特点	FSO信道采用EW衰落模型	天顶角、孔径大小、窃听者平均SNR、风速等

从上述对比可以看出，RF通信和FSO通信在窃听特点、衰落模型以及受影响因素方面存在明显差异。RF通信受距离和阴影影响较大，而FSO通信则更多地受到大气环境和设备参数（如孔径大小）的影响。

4.2 关键参数对保密性能的综合影响

• 窃听者平均SNR（(γ_E)） ：在RF和FSO通信中，(γ_E) 都是影响保密性能的关键指标。在RF通信中，(γ_E) 越大，SOP性能越低，PPSC越低；在FSO通信中，(γ_E) 越低，PPSC性能越好。这表明降低窃听者的平均SNR可以有效提高通信的保密性能。
• 指向误差（(ξ)） ：在RF通信中，指向误差会影响卫星与HAPS之间的链路，进而影响SOP性能。较大的指向误差值在一定条件下有助于提高整体性能。在FSO通信中，虽然未明确提及指向误差的影响，但通信节点的对准偏差与保密性能密切相关。
• 环境因素 ：RF通信中的阴影级别和FSO通信中的天顶角、风速、米氏散射和薄卷云等环境因素都会对保密性能产生影响。极端阴影条件会降低RF通信的保密性能，而FSO通信在HAPS层受大气湍流影响较小，保密性能相对较好。

4.3 研究成果总结

通过对RF和FSO通信在NTNs中的窃听研究，我们得到以下重要结论：
- 极端环境条件（如极端阴影、强风等）会对通信的保密性能产生负面影响，但HAPS辅助的通信系统可以在一定程度上缓解这些影响。
- 关键参数（如窃听者平均SNR、指向误差、孔径大小等）在通信系统的设计中起着至关重要的作用，合理选择这些参数可以提高通信的保密性能。
- 不同的通信场景（如HAPS窃听和UAV窃听）具有不同的特点和保密性能，需要根据具体情况选择合适的通信方案。

5. 未来研究展望

5.1 技术改进方向

• 优化衰落模型 ：目前的研究采用了Gamma - Gamma、阴影Rician和EW等衰落模型，但实际通信环境可能更加复杂。未来可以研究更精确的衰落模型，以更好地描述通信信道的特性，提高保密性能分析的准确性。
• 增强抗干扰技术 ：随着通信技术的发展，窃听手段也在不断升级。未来可以研究更有效的抗干扰技术，如自适应人工噪声注入、智能波束成形等，以提高通信系统的抗窃听能力。

5.2 应用场景拓展

• 多用户通信场景 ：目前的研究主要集中在单用户或少数用户的通信场景。未来可以研究多用户通信场景下的窃听问题，考虑用户之间的干扰和协作，设计更安全的多用户通信协议。
• 异构网络融合 ：随着NTNs与地面网络的融合趋势不断加强，未来可以研究异构网络融合环境下的窃听问题，解决不同网络之间的兼容性和安全性问题。

5.3 研究方法创新

• 机器学习与人工智能 ：可以引入机器学习和人工智能技术，对大量的通信数据进行分析和处理，挖掘潜在的窃听风险，实现智能的安全决策和管理。
• 量子通信技术 ：量子通信具有无条件安全性的特点，可以研究量子通信技术在NTNs中的应用，为通信安全提供新的解决方案。

6. 总结

本文深入研究了NTNs中RF和FSO通信的窃听问题，通过建立系统模型、分析保密性能指标和进行数值计算，揭示了各种因素对通信保密性能的影响。研究结果表明，合理选择通信方案和参数，以及采取有效的抗干扰措施，可以提高NTNs中通信的保密性能。未来的研究可以在技术改进、应用场景拓展和研究方法创新等方面展开，为NTNs的安全通信提供更坚实的理论和技术支持。

6.1 整体研究流程回顾

graph LR
    A[提出问题：NTNs中RF和FSO通信的窃听问题] --> B[建立系统模型]
    B --> C[分析保密性能指标（SOP、PPSC等）]
    C --> D[进行数值计算和结果分析]
    D --> E[总结研究成果和提出未来展望]

6.2 核心要点总结

• RF通信 ：HAPS辅助的FSO - RF SatCom可以在一定程度上提高通信的保密性能，但受阴影级别、指向误差和窃听者平均SNR等因素影响。
• FSO通信 ：HAPS窃听和UAV窃听具有不同的特点，受天顶角、孔径大小和窃听者平均SNR等因素影响。
• 关键参数 ：窃听者平均SNR、指向误差和环境因素是影响通信保密性能的关键因素。
• 未来研究 ：可以从技术改进、应用场景拓展和研究方法创新等方面展开，为NTNs的安全通信提供支持。

希望本文的研究能够为NTNs中通信安全的研究和实践提供有益的参考，推动相关领域的发展。