隨著移動通信技術(shù)的快速發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)得到更為廣泛的普及。然而，無線信道的開放性、網(wǎng)絡(luò)的多樣性和復雜性，使得無線通信系統(tǒng)更容易受到其他用戶的安全攻擊。

在無線通信系統(tǒng)中，其性能指標主要體現(xiàn)在有效性、可靠性、保密性等幾個方面。當然，隨著人們在近幾十年中對通信領(lǐng)域不斷進行研究，無線通信系統(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1Gbit/s。類似地，無線通信系統(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)開始在智能終端中進行，無線網(wǎng)絡(luò)中的通信安全變得越來越重要。

由于無線網(wǎng)絡(luò)的開放性，無線通信網(wǎng)絡(luò)很容易受到多種安全問題的困擾。首先，無線信道很容易受到干擾攻擊，惡意攻擊者可以通過在系統(tǒng)的工作頻段發(fā)送純噪聲信號，降低接收信號的質(zhì)量，影響無線通信系統(tǒng)的正常工作;其次，竊聽者可以利用無線信道的廣播特性，非常容易接收到目標信號;最后，攻擊者可以利用無線網(wǎng)絡(luò)的開放特性，非法接入目標網(wǎng)絡(luò)，獲取網(wǎng)絡(luò)中的重要數(shù)據(jù)信息并實施攻擊。

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)陌踩珕栴}，無線通信系統(tǒng)更容易受到安全攻擊。對于傳統(tǒng)的加密解密方式，終端計算能力的增強以及無線網(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。無線通信信道的開放性造成無線信道非常容易受到竊聽者的監(jiān)聽，無線網(wǎng)絡(luò)的多樣性和復雜性使得密鑰分配問題凸顯，終端計算能力的增強同樣使得傳統(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，對傳統(tǒng)的信道糾錯編碼進行修改，使其同時兼具糾錯能力與保密能力;另一類是預編碼技術(shù)，在保證合法信道正常接收的同時，降低竊聽信道的質(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線信道的非完美特點(噪聲、衰落以及干擾)，設(shè)計適合安全通信的信道編碼，不僅能夠為合法信道進行糾錯，而且能夠保證信息安全，阻止竊聽者接收到有效信息。安全信道編碼的兩個關(guān)鍵特點是嵌套式的編碼結(jié)構(gòu)和多個碼字之間的隨機特性。

物理層安全技術(shù)不依賴設(shè)備的計算能力，充分利用無線信道的隨機性，通過利用信道狀態(tài)信息(Channel State Information，CSI)，合理地設(shè)計信道編碼或預編碼，從信息論的角度，提高系統(tǒng)的安全性。

近年來，多天線技術(shù)得到人們越來越多的關(guān)注，它通過在發(fā)送端和接收端配備多個天線，實現(xiàn)空間復用和發(fā)送-接收分集。

無線信號傳輸具有多徑傳播的特性，多天線技術(shù)可以利用其空間復用增益使信道容量得以提升，而無須額外的功率和頻譜開銷。也可利用空間分集增益來對抗信道衰落，達到降低誤碼率，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展到了多天線系統(tǒng)，并說明了在多天線系統(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、中繼信道等場景下，存在竊聽者時，如何利用多天線的優(yōu)勢去最大化安全速率，一直驅(qū)使著學術(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中。本書也將會利用該方法，通過研究和設(shè)計波束成形向量等方法，來解決物理層安全的問題。

值得注意的是，隨著移動設(shè)備數(shù)目的日益增長，無線通信系統(tǒng)的能量需求也受到了學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，能量收集(Energy Harvesting，EH)被認為是一項非常具有研究價值的技術(shù)。

在EH 中，射頻信號(Radio Frequency，RF)可以為能量收集設(shè)備提供能量。同時攜帶信息和能量的RF 方案稱為無線信息能量同時傳輸(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，SWIPT)。正如我們所知，在實際應(yīng)用中，干擾場景的應(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關(guān)注問題。據(jù)我們所知，針對干擾網(wǎng)絡(luò)中能量收集器(Energy Receivers，ER)的竊聽風險場景仍未有人涉及，并且前面提到的工作也都無法直接拓展到該場景中這也激勵了我們?nèi)ド钊胙芯窟@個場景。

標簽： 物理層