劉雍煌，宋歡歡，郁子陽(yáng)，李 聞，文 紅
（1.電子科技大學(xué) 航空航天學(xué)院，四川 成都 611731；2.電子科技大學(xué) 飛行器集群智能感知與協(xié)同控制四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611731；3.電子科技大學(xué) 四川省智慧物聯(lián)通信技術(shù)工程研究中心，四川 成都 611731）
0 引言
無(wú)線通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用極大地改善了人類生活質(zhì)量，但其本身固有的開(kāi)放性及移動(dòng)設(shè)備存儲(chǔ)資源和計(jì)算資源的局限性帶來(lái)了安全隱患，如遭受消息竊聽(tīng)、信息篡改及假冒攻擊等[1]。香農(nóng)指出實(shí)現(xiàn)“一次一密”是最強(qiáng)的安全系統(tǒng)[2]，在經(jīng)典密碼系統(tǒng)中需要密鑰長(zhǎng)度和明文一樣長(zhǎng)。無(wú)線終端能量受限、帶寬受限，使得其采用高計(jì)算復(fù)雜度的高強(qiáng)度密碼體制變得非常困難，因此基于計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)上層安全措施可能無(wú)法滿足未來(lái)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)高吞吐量、高安全性的需求。物理層安全的基本思想是在進(jìn)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(shí)現(xiàn)與明文長(zhǎng)度一樣長(zhǎng)的密鑰，因此可能實(shí)現(xiàn)真正的“一次一密”[3]。物理層安全被認(rèn)為是無(wú)條件安全的，即對(duì)攻擊者的計(jì)算量和攻擊時(shí)間沒(méi)有任何限制。但當(dāng)前并未有針對(duì)物理層安全無(wú)條件安全性的驗(yàn)證系統(tǒng)。
本文設(shè)計(jì)了基于數(shù)據(jù)云處理的物理特征安全驗(yàn)證系統(tǒng)，可對(duì)預(yù)編碼[4]、物理層密鑰分發(fā)[5]及人工噪聲[6]等多項(xiàng)物理層安全技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。該系統(tǒng)中，竊聽(tīng)者可以利用無(wú)線電監(jiān)測(cè)設(shè)備大量接收保密信號(hào)并將其上傳至云平臺(tái)，然后利用云平臺(tái)龐大的計(jì)算資源進(jìn)行不限時(shí)的信號(hào)解調(diào)�；谠撓到y(tǒng)，本文設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了聯(lián)合預(yù)編碼及人工噪聲的物理層安全技術(shù)的性能，為驗(yàn)證物理層安全技術(shù)的無(wú)條件安全特性提供了有力支撐。
1 系統(tǒng)模型
本文提出的竊聽(tīng)者基于數(shù)據(jù)云處理的物理特征安全驗(yàn)證系統(tǒng)模型如圖1 所示。系統(tǒng)中的3 個(gè)節(jié)點(diǎn)分別為基站（Alice）、合法用戶（Bob）以及竊聽(tīng)者（Eve）。其中，Alice 由服務(wù)端主機(jī)與無(wú)線電收發(fā)設(shè)備組成，服務(wù)端主機(jī)主要進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，以及利用物理層安全特性對(duì)信號(hào)進(jìn)行加密；Bob 由客戶端主機(jī)和無(wú)線電收發(fā)設(shè)備構(gòu)成，導(dǎo)頻信號(hào)及保密信號(hào)被無(wú)線電設(shè)備接收后送入客戶端主機(jī)中進(jìn)行信道估計(jì)和信號(hào)解調(diào)。服務(wù)端主機(jī)與客戶端主機(jī)通過(guò)局域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信道信息的交互。Eve 作為被動(dòng)竊聽(tīng)者，不參與合法通信雙方之間的交互，只負(fù)責(zé)監(jiān)聽(tīng)并破解保密信號(hào)。
圖1 系統(tǒng)模型
本文系統(tǒng)的創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。一方面，Eve 通過(guò)無(wú)線電監(jiān)測(cè)設(shè)備接收到保密信號(hào)并將其上傳至云端，在已知信號(hào)幀結(jié)構(gòu)及調(diào)制方式的情況下利用龐大的計(jì)算資源對(duì)保密信號(hào)進(jìn)行不限時(shí)破譯，從而驗(yàn)證物理層安全的無(wú)條件安全特性。另一方面，獲取信道信息是物理層安全技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，例如：在物理層密鑰生成技術(shù)中，合法通信的雙方需要利用時(shí)變的信道信息動(dòng)態(tài)生成密鑰從而對(duì)信號(hào)進(jìn)行加密；在人工噪聲技術(shù)中，Alice 需要根據(jù)合法通信雙方實(shí)時(shí)的信道信息生成零空間編碼矩陣進(jìn)而引入人工噪聲。因此，本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)了Alice 與Bob 間互相發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)的功能，并利用服務(wù)端主機(jī)與客戶端主機(jī)之間的局域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)且無(wú)失真的信道信息協(xié)商，減少上下行信道互易性不佳引起的誤差，進(jìn)而可開(kāi)展波束成形、人工噪聲及物理層密鑰分發(fā)等多項(xiàng)物理特征安全實(shí)驗(yàn)，提高了驗(yàn)證方案的多樣性。
2 物理特征安全驗(yàn)證方案
人工噪聲（Artificial Noise，AN）是重要的物理層安全傳輸技術(shù)手段。2008 年，Goel 首次提出零空間人工噪聲技術(shù)[7]，其核心思想是：發(fā)射機(jī)將人工噪聲信號(hào)均勻分布到主信道的零空間里，避免AN 信號(hào)對(duì)合法通信節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生干擾，從而只降低潛在竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)的接收質(zhì)量。預(yù)編碼（Precoding）技術(shù)可以將信號(hào)能量集中到目標(biāo)站點(diǎn)附近，有效對(duì)抗衰減和損耗，從而提升系統(tǒng)性能。
本文基于數(shù)據(jù)云處理的物理特征安全驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)聯(lián)合預(yù)編碼以及人工噪聲的物理層安全技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。在本方案中，Alice 的發(fā)送天線數(shù)為Na，Bob 的接收天線數(shù)為Nb，Eve 的接收天線數(shù)為Ne，其中Ne=Nb Alice 向Bob 發(fā)送的導(dǎo)頻信號(hào)為Xp1=diag([p1,p2,…,pi,…,pNa])，其中pi為公開(kāi)的導(dǎo)頻符號(hào)，i∈{1,2,…,Na}。導(dǎo)頻信號(hào)Xp1經(jīng)過(guò)Alice 和Bob 之間的無(wú)線廣播合法信道傳輸，Bob 接收到的導(dǎo)頻信號(hào)表示為：
式中：Nbp1為Bob 的加性復(fù)高斯隨機(jī)信道噪聲。Bob 進(jìn)行信道估計(jì)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(jì)矩 陣的零空間矩 陣，滿 足V1∈CNa×Nb是保密信號(hào)的波束成形矩陣，滿足V1=[P1P2]，其中，P1∈CNa×s，s為系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)的流數(shù)。因此，保密信號(hào)的預(yù)編碼矩陣為P=P1∈CNa×s，零空間編碼矩陣為Z=V0∈CNa×(Na-Nb)。Alice 發(fā)射的保密信號(hào)表 示為：
式中：Pt為Alice 的總發(fā)射功率約束限制；ϕ為人工噪聲信號(hào)的功率分配因子，即Alice 發(fā)射的人工噪聲信號(hào)功率占總的發(fā)射功率Pt的比例，因此Alice 發(fā)射保密信號(hào)的功率為Pt(1-ϕ)，人工噪聲信號(hào)的功率為Ptϕ；u～CN(0,IS)為QPSK 調(diào)制后的保密數(shù)據(jù)；v～CN(0,INa-Nb)為隨機(jī)噪聲。
Alice 發(fā)射的塊狀導(dǎo)頻信號(hào)表示為PXp2，其中，Xp2=diag([p1,p2,…,pj,…,ps])，pj為公開(kāi)的導(dǎo)頻符號(hào)，j∈{1,2,…,s}。發(fā)射信號(hào)的幀結(jié)構(gòu)如圖3 所示，單個(gè)數(shù)據(jù)幀總計(jì)2 720 個(gè)符號(hào)，包括320 個(gè)同步序列符號(hào)，80 個(gè)塊狀導(dǎo)頻符號(hào)，其余符號(hào)為調(diào)制后的保密數(shù)據(jù)。保密信號(hào)經(jīng)過(guò)無(wú)線信道，分別被Bob 與Eve 接收。利用已知的幀結(jié)構(gòu)，Bob 和Eve 分別將接收信號(hào)分離成導(dǎo)頻信號(hào)和保密數(shù)據(jù)信號(hào)。其中，Bob 和Eve 接收的導(dǎo)頻信號(hào)分別表示為：
第四，對(duì)于某些淬火溫度較高的不銹鋼零件，其淬火溫度和熔點(diǎn)溫度很接近，在使用感應(yīng)器進(jìn)行產(chǎn)品局部表面淬火時(shí)很容易燒傷夾角或不規(guī)則部位，導(dǎo)致零件報(bào)廢，而激光淬火則不受此限。
式（12）中Eve 接收到的人工噪聲會(huì)直接影響Eve 接收保密信號(hào)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(huì)隨之升高。
3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析
基于所提系統(tǒng)，本文搭建了如圖4 所示硬件平臺(tái)。Alice 和Bob 使用的無(wú)線電收發(fā)設(shè)備為通用軟件無(wú)線電外設(shè)（Universal Software Radio Peripheral，USRP），通過(guò)服務(wù)端主機(jī)與客戶端主機(jī)上的LabVIEW 軟件驅(qū)動(dòng)。
服務(wù)端主機(jī)與客戶端主機(jī)處于同一局域網(wǎng)絡(luò)中，因此Alice 和Bob 可直接通過(guò)LabVIEW 中的TCP 模塊進(jìn)行信道信息的交互。如圖5 和圖6 所示，Alice 和Bob 首先進(jìn)行參數(shù)配置及設(shè)備初始化，隨后進(jìn)入到信號(hào)收發(fā)狀態(tài)，以此保證USRP 能夠持續(xù)收發(fā)信號(hào)，避免了因狀態(tài)切換時(shí)延導(dǎo)致錯(cuò)過(guò)信道相干時(shí)間。利用平鋪式順序結(jié)構(gòu)，Alice 首先發(fā)射導(dǎo)頻信號(hào)，同時(shí)在傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）模塊中監(jiān)測(cè)是否收到反饋的信道信息；Bob 收到導(dǎo)頻信號(hào)后立即進(jìn)行信道估計(jì)，并將信道信息通過(guò)TCP 模塊反饋給Alice，隨后切換至接收保密信號(hào)狀態(tài)；當(dāng)Alice 監(jiān)測(cè)到信道信息后，立即停止發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，利用該信道信息對(duì)保密數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，其中包括預(yù)編碼技術(shù)以及人工噪聲技術(shù)，隨后將調(diào)制后的保密信號(hào)通過(guò)USRP發(fā)送出去；Bob 接收到保密信號(hào)后可以實(shí)時(shí)地進(jìn)行信號(hào)解調(diào)。
圖5 Alice 程序
圖6 Bob 程序
Eve 通過(guò)3900A 無(wú)線電監(jiān)測(cè)儀大量接收保密信號(hào)，隨后將接收到的基帶IQ 信號(hào)上傳至云服務(wù)器。在已知信號(hào)幀結(jié)構(gòu)以及全部調(diào)制方式的情況下，Eve借助云端強(qiáng)大的存儲(chǔ)及計(jì)算資源，采用和Bob 相同的信號(hào)處理過(guò)程，不限時(shí)解調(diào)保密信號(hào)。實(shí)驗(yàn)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(hào)/s，發(fā)射/接收天線功率均為15 dBm，發(fā)射/接收增益為20 dB，Alice、Bob 和Eve 的距離均為3 m，且均有信號(hào)直射鏈路。實(shí)驗(yàn)中，每幀數(shù)據(jù)包含2 784 比特保密數(shù)據(jù)，單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)傳輸1 000 幀，通過(guò)求均值的方法記錄各項(xiàng)中誤比特率的數(shù)值，確保實(shí)驗(yàn)有效性。
為了豐富實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，實(shí)驗(yàn)中可以調(diào)整人工噪聲信號(hào)的功率分配因子ϕ、Alice 的發(fā)射天線數(shù)Na、Bob 的接收天線數(shù)Nb及Eve 的接收天線數(shù)Ne等參數(shù)，多方面驗(yàn)證物理特征安全性。
圖8 展示了各場(chǎng)景中Bob 和Eve 的誤比特率曲線。當(dāng)發(fā)射信號(hào)中只進(jìn)行預(yù)編碼而沒(méi)有添加人工噪聲，即ϕ=0 時(shí)，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(méi)有添加人工噪聲時(shí)，預(yù)編碼技術(shù)可以將信號(hào)能量集中至合法用戶，使合法用戶的通信質(zhì)量?jī)?yōu)于竊聽(tīng)者。進(jìn)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(hào)接收也開(kāi)始出現(xiàn)微小差錯(cuò)。當(dāng)ϕ=0.8，Na=4 及Nb=Ne=2 時(shí)，Eve 的誤比特率已經(jīng)達(dá)到0.47，幾乎無(wú)法獲取任何有效信息，而B(niǎo)ob 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(shí)，系統(tǒng)關(guān)閉正常通信，將全部的發(fā)射能量都用來(lái)傳輸人工噪聲，合法接收機(jī)和非法接收機(jī)的誤比特率都達(dá)到0.5。
圖8 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果
此外，當(dāng)發(fā)射天線數(shù)目不變，增加接收天線數(shù)時(shí)，系統(tǒng)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(yōu)；當(dāng)接收天線數(shù)目不變，只增加發(fā)射天線數(shù)目時(shí)，Bob 的誤比特率進(jìn)一步下降，而由于Alice 發(fā)送保密信號(hào)和人工噪聲信號(hào)的總功率沒(méi)有改變，導(dǎo)致Eve 的誤比特率沒(méi)有明顯變化。
4 結(jié)語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)云處理的物理特征安全驗(yàn)證系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了聯(lián)合預(yù)編碼及人工噪聲的物理層安全技術(shù)在實(shí)際通信系統(tǒng)中的較高安全性能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人工噪聲功率因子達(dá)到0.8 時(shí)，即使竊聽(tīng)者借助云平臺(tái)強(qiáng)大的存儲(chǔ)及計(jì)算能力，也無(wú)法破譯保密信號(hào)，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(shù)利用信道噪聲為密鑰的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)“一次一密”的安全通信效果。本文所提系統(tǒng)也為驗(yàn)證物理層安全技術(shù)的無(wú)條件安全特性提供了有力的硬件平臺(tái)支持。
