劉雍煌，宋歡歡，郁子陽，李 聞，文 紅
（1.電子科技大學 航空航天學院，四川 成都 611731；2.電子科技大學 飛行器集群智能感知與協同控制四川省重點實驗室，四川 成都 611731；3.電子科技大學 四川省智慧物聯通信技術工程研究中心，四川 成都 611731）
0 引言
無線通信技術的廣泛應用極大地改善了人類生活質量，但其本身固有的開放性及移動設備存儲資源和計算資源的局限性帶來了安全隱患，如遭受消息竊聽、信息篡改及假冒攻擊等[1]。香農指出實現“一次一密”是最強的安全系統[2]，在經典密碼系統中需要密鑰長度和明文一樣長。無線終端能量受限、帶寬受限，使得其采用高計算復雜度的高強度密碼體制變得非常困難，因此基于計算的網絡上層安全措施可能無法滿足未來無線通信網絡高吞吐量、高安全性的需求。物理層安全的基本思想是在進行秘密通信前，合法通信雙方不提前共享任何秘密，以信道噪聲為密鑰，可以實現與明文長度一樣長的密鑰，因此可能實現真正的“一次一密”[3]。物理層安全被認為是無條件安全的，即對攻擊者的計算量和攻擊時間沒有任何限制。但當前并未有針對物理層安全無條件安全性的驗證系統。
本文設計了基于數據云處理的物理特征安全驗證系統，可對預編碼[4]、物理層密鑰分發[5]及人工噪聲[6]等多項物理層安全技術進行驗證。該系統中，竊聽者可以利用無線電監測設備大量接收保密信號并將其上傳至云平臺，然后利用云平臺龐大的計算資源進行不限時的信號解調。基于該系統，本文設計并驗證了聯合預編碼及人工噪聲的物理層安全技術的性能，為驗證物理層安全技術的無條件安全特性提供了有力支撐。
1 系統模型
本文提出的竊聽者基于數據云處理的物理特征安全驗證系統模型如圖1 所示。系統中的3 個節點分別為基站（Alice）、合法用戶（Bob）以及竊聽者（Eve）。其中，Alice 由服務端主機與無線電收發設備組成，服務端主機主要進行信號調制，以及利用物理層安全特性對信號進行加密；Bob 由客戶端主機和無線電收發設備構成，導頻信號及保密信號被無線電設備接收后送入客戶端主機中進行信道估計和信號解調。服務端主機與客戶端主機通過局域網絡進行信道信息的交互。Eve 作為被動竊聽者，不參與合法通信雙方之間的交互，只負責監聽并破解保密信號。
圖1 系統模型
本文系統的創新性主要體現在以下兩個方面。一方面，Eve 通過無線電監測設備接收到保密信號并將其上傳至云端，在已知信號幀結構及調制方式的情況下利用龐大的計算資源對保密信號進行不限時破譯，從而驗證物理層安全的無條件安全特性。另一方面，獲取信道信息是物理層安全技術的重要環節，例如：在物理層密鑰生成技術中，合法通信的雙方需要利用時變的信道信息動態生成密鑰從而對信號進行加密；在人工噪聲技術中，Alice 需要根據合法通信雙方實時的信道信息生成零空間編碼矩陣進而引入人工噪聲。因此，本文系統設計了Alice 與Bob 間互相發送導頻信號的功能，并利用服務端主機與客戶端主機之間的局域網絡進行實時且無失真的信道信息協商，減少上下行信道互易性不佳引起的誤差，進而可開展波束成形、人工噪聲及物理層密鑰分發等多項物理特征安全實驗，提高了驗證方案的多樣性。
2 物理特征安全驗證方案
人工噪聲（Artificial Noise，AN）是重要的物理層安全傳輸技術手段。2008 年，Goel 首次提出零空間人工噪聲技術[7]，其核心思想是：發射機將人工噪聲信號均勻分布到主信道的零空間里，避免AN 信號對合法通信節點產生干擾，從而只降低潛在竊聽節點的接收質量。預編碼（Precoding）技術可以將信號能量集中到目標站點附近，有效對抗衰減和損耗，從而提升系統性能。
本文基于數據云處理的物理特征安全驗證系統對聯合預編碼以及人工噪聲的物理層安全技術進行了驗證。在本方案中，Alice 的發送天線數為Na，Bob 的接收天線數為Nb，Eve 的接收天線數為Ne，其中Ne=Nb Alice 向Bob 發送的導頻信號為Xp1=diag([p1,p2,…,pi,…,pNa])，其中pi為公開的導頻符號，i∈{1,2,…,Na}。導頻信號Xp1經過Alice 和Bob 之間的無線廣播合法信道傳輸，Bob 接收到的導頻信號表示為：
式中：Nbp1為Bob 的加性復高斯隨機信道噪聲。Bob 進行信道估計得到的信道矩陣表示為：
式 中：U∈CNb×Nb為酉矩 陣；Σ∈CNb×Na為奇異值矩陣，V0∈CNa×(Na-Nb)為信道 估計矩 陣的零空間矩 陣，滿 足V1∈CNa×Nb是保密信號的波束成形矩陣，滿足V1=[P1P2]，其中，P1∈CNa×s，s為系統發射信號的流數。因此，保密信號的預編碼矩陣為P=P1∈CNa×s，零空間編碼矩陣為Z=V0∈CNa×(Na-Nb)。Alice 發射的保密信號表 示為：
式中：Pt為Alice 的總發射功率約束限制；ϕ為人工噪聲信號的功率分配因子，即Alice 發射的人工噪聲信號功率占總的發射功率Pt的比例，因此Alice 發射保密信號的功率為Pt(1-ϕ)，人工噪聲信號的功率為Ptϕ；u～CN(0,IS)為QPSK 調制后的保密數據；v～CN(0,INa-Nb)為隨機噪聲。
Alice 發射的塊狀導頻信號表示為PXp2，其中，Xp2=diag([p1,p2,…,pj,…,ps])，pj為公開的導頻符號，j∈{1,2,…,s}。發射信號的幀結構如圖3 所示，單個數據幀總計2 720 個符號，包括320 個同步序列符號，80 個塊狀導頻符號，其余符號為調制后的保密數據。保密信號經過無線信道，分別被Bob 與Eve 接收。利用已知的幀結構，Bob 和Eve 分別將接收信號分離成導頻信號和保密數據信號。其中，Bob 和Eve 接收的導頻信號分別表示為：
第四，對于某些淬火溫度較高的不銹鋼零件，其淬火溫度和熔點溫度很接近，在使用感應器進行產品局部表面淬火時很容易燒傷夾角或不規則部位，導致零件報廢，而激光淬火則不受此限。
式（12）中Eve 接收到的人工噪聲會直接影響Eve 接收保密信號的信噪比，隨著人工噪聲功率因子ϕ增大，Eve 的信噪比同步下降，其誤比特率也會隨之升高。
3 系統實驗及結果分析
基于所提系統，本文搭建了如圖4 所示硬件平臺。Alice 和Bob 使用的無線電收發設備為通用軟件無線電外設（Universal Software Radio Peripheral，USRP），通過服務端主機與客戶端主機上的LabVIEW 軟件驅動。
服務端主機與客戶端主機處于同一局域網絡中，因此Alice 和Bob 可直接通過LabVIEW 中的TCP 模塊進行信道信息的交互。如圖5 和圖6 所示，Alice 和Bob 首先進行參數配置及設備初始化，隨后進入到信號收發狀態，以此保證USRP 能夠持續收發信號，避免了因狀態切換時延導致錯過信道相干時間。利用平鋪式順序結構，Alice 首先發射導頻信號，同時在傳輸控制協議（Transmission Control Protocol，TCP）模塊中監測是否收到反饋的信道信息；Bob 收到導頻信號后立即進行信道估計，并將信道信息通過TCP 模塊反饋給Alice，隨后切換至接收保密信號狀態；當Alice 監測到信道信息后，立即停止發送導頻信號，利用該信道信息對保密數據進行信號調制，其中包括預編碼技術以及人工噪聲技術，隨后將調制后的保密信號通過USRP發送出去；Bob 接收到保密信號后可以實時地進行信號解調。
圖5 Alice 程序
圖6 Bob 程序
Eve 通過3900A 無線電監測儀大量接收保密信號，隨后將接收到的基帶IQ 信號上傳至云服務器。在已知信號幀結構以及全部調制方式的情況下，Eve借助云端強大的存儲及計算資源，采用和Bob 相同的信號處理過程，不限時解調保密信號。實驗中使用的載波中心頻率為3.5 GHz，RF 帶寬為1 MHz，I/Q 速率為106符號/s，發射/接收天線功率均為15 dBm，發射/接收增益為20 dB，Alice、Bob 和Eve 的距離均為3 m，且均有信號直射鏈路。實驗中，每幀數據包含2 784 比特保密數據，單項實驗傳輸1 000 幀，通過求均值的方法記錄各項中誤比特率的數值，確保實驗有效性。
為了豐富實驗場景，實驗中可以調整人工噪聲信號的功率分配因子ϕ、Alice 的發射天線數Na、Bob 的接收天線數Nb及Eve 的接收天線數Ne等參數，多方面驗證物理特征安全性。
圖8 展示了各場景中Bob 和Eve 的誤比特率曲線。當發射信號中只進行預編碼而沒有添加人工噪聲，即ϕ=0 時，Bob 的誤比特率均為0，而Eve 的誤比特率為10-5～10-4，表示在沒有添加人工噪聲時，預編碼技術可以將信號能量集中至合法用戶，使合法用戶的通信質量優于竊聽者。進一步地，隨著人工噪聲功率分配因子ϕ變大，Eve 的誤比特率隨之變大，Bob 信號接收也開始出現微小差錯。當ϕ=0.8，Na=4 及Nb=Ne=2 時，Eve 的誤比特率已經達到0.47，幾乎無法獲取任何有效信息，而Bob 的誤比特率仍維持在10-4以下，仍然可以維持正常的通信。直到ϕ=1 時，系統關閉正常通信，將全部的發射能量都用來傳輸人工噪聲，合法接收機和非法接收機的誤比特率都達到0.5。
圖8 系統測試結果
此外，當發射天線數目不變，增加接收天線數時，系統的信道容量增加，Bob 和Eve 的誤比特率均有所下降，但Bob 的性能改善明顯更優；當接收天線數目不變，只增加發射天線數目時，Bob 的誤比特率進一步下降，而由于Alice 發送保密信號和人工噪聲信號的總功率沒有改變，導致Eve 的誤比特率沒有明顯變化。
4 結語
本文設計并實現了基于數據云處理的物理特征安全驗證系統，實驗驗證了聯合預編碼及人工噪聲的物理層安全技術在實際通信系統中的較高安全性能。實驗發現，當人工噪聲功率因子達到0.8 時，即使竊聽者借助云平臺強大的存儲及計算能力，也無法破譯保密信號，而合法用戶則可以保持正常通信。這得益于物理層安全技術利用信道噪聲為密鑰的特性，能夠實現“一次一密”的安全通信效果。本文所提系統也為驗證物理層安全技術的無條件安全特性提供了有力的硬件平臺支持。
