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無線信息安全傳輸機制思考

文檔作者：趙雙江劉廷銀文檔來源： 65589 部隊通信器材修理所		點擊數：	更新時間： 2021年04月26日
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網絡與信息工程
99
2016.14
無線信息安全傳輸機制思考
趙雙江,劉廷銀
（65589 部隊通信器材修理所,116300）
摘要：無線信道安全傳輸的目的是保證期望用戶具有良好的通信質量（高速率、低誤碼率），同時盡可能地提高竊聽者的誤碼
率，從而防止信息被竊聽者截獲。本文重點講述無線信息安全傳輸機制。
關鍵詞：無線信息; 安全傳輸
Thoughts on the transmission mechanism of wireless information
security
Zhao Shuangjiang,Liu Tingyin
（65589 Army Communications equipment repair,116300）
Abstract ：Wireless channel transmission security is to ensure that the desired user with good communication
quality (high rate and low error rate), at the same time as far as possible to improve the eavesdropper's
bit error rate (BER), thereby preventing the information is intercepted by an eavesdropper. This paper
focuses on the security of wireless information transmission mechanism.
Keywords ： wireless information;secure transmission
1 基于無線信道的安全傳輸
無線信道安全傳輸的目的是保證期望用戶具有良好的通信
質量（高速率、低誤碼率），同時盡可能地提高竊聽者的誤碼率，從
而防止信息被竊聽者截獲。充分利用發端與收端天線之間無線信
道的空域特征可以在不影響期望接收端性能的前提下，使發端到
潛在竊聽者之間的等效通信信道隨機快速變化，從而達到安全傳
輸的目的。本項內容將重點研究基于無線信道特征（如信道的空
域特征）的物理層安全傳輸機制，根據收發雙端天線配置的不同，
具體包括以下內容：
1) 基站端利用無線信道特征的物理層安全傳輸技術
研究基站端如何利用信道的空域等特征實現信道隨機置亂
的方法，以達到物理層無線安全傳輸的目的。
例如，在基站端使用多天線而移動用戶端使用單天線的情況
下，可以實現無線通信安全的低截獲概率要求。利用多天線的空
域特征還可以提高系統容量，因此，如何使用無線信道特征在保
證竊聽端低截獲概率的同時盡可能地提高系統容量是本項研究
內容的重點。
2) 移動臺端利用無線信道特征的物理層安全傳輸技術
研究移動臺端如何利用信道的空域等特征，并與基站端聯合
實現信道隨機置亂的方法，以達到物理層無線安全傳輸的目的。
移動臺與基站端的處理能力及射頻端等方面都具有不對等性，所
以需要研究移動臺端的物理層安全機制。
目前移動臺端集成使用多天線是無線通信發展的趨勢，其為
無線信道提供了更豐富的信道特征。多天線的使用可以使移動臺
在無線安全傳輸過程中擁有更大的主動權，與基站端多天線的配
合則可以進一步增強無線通信的安全性。因此，在基站與移動臺
雙端都使用多天線的情況下，如何進一步改善無線安全性能則是
該研究方向的一個切入點。
2 基于無線信道特征的密鑰生成方法
傳統密碼學是通過對信源進行密鑰加密的方法防止信息被
竊取，這種信源加密方法的有效性依賴于密鑰的復雜度和傳輸
安全性。雖然通過增加密鑰長度可以增加密鑰的復雜度從而增加
解密的難度，但是密鑰在傳輸過程中的安全性是比復雜度更為重
要的問題，如何保證密鑰的傳輸安全一直是密碼學研究的核心問
題。目前常用的方法都是從保障密鑰交換安全的角度出發，例如
通過其它安全的途徑交換密鑰（如基于預分發的隨機密鑰），或者
提高密鑰的更新速度甚至避免密鑰的重復使用（一次一密）等等。
這些方法都離不開對密鑰的傳輸，因此也就無法避免密鑰在傳輸
中泄漏的可能。公開密鑰技術試圖通過公鑰（加密密鑰）和私鑰
（解密密鑰）的分離解決密鑰的安全問題，然而，分布式并行計算
的快速發展使破解密鑰的難度大大降低，因此公開密鑰技術也不
能完全解決密鑰的安全問題。
事實上，可以換另外一種思路來看，如果通信雙方能夠同時
獨立地生成相同或相關聯的密鑰，那么就可以避免密鑰的交換從
而保證密鑰的安全性。無線信道的開放特性在給無線通信帶來安
全隱患的同時，也帶來了一些有線通信系統所不具有的、在解決
信息傳輸安全時可利用的特征。例如，在TDD 模式下，由信道互易
原理，通信雙方使用“相同”的無線信道進行雙向交替通信，并且
收發雙方空間位置的“唯一性”使得其它用戶無法獲取這個雙方
共有的個性信道。基于這些特征，通信雙方就有可能同時獨立地
得到“相同且具有空間個性特征的密鑰”，從而避免密鑰的傳輸，
保障密鑰的安全。
上述“愿望”是美好的，要想變為現實需要解決以下三個問
題：1）通信雙方需要依據共有的無線信道生成一致的密鑰。在復
雜的無線通信環境中，由于噪聲、多徑傳輸以及信道時變性等眾
多因素的影響，通信雙方很難得到“完全一致”的信道信息。如何
從收發雙方的信道狀態信息（CSI）中提取出雙方共有的適合于密
鑰生成的信道特征是一個需要解決的關鍵問題。其次，其他無關
用戶生成的密鑰與該密鑰不同，這與問題一在一定程度上是一對
矛盾，也就是說不僅需要保證密鑰生成的一致性，還需要保證它
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2.1 軟交換網絡在應用中的問題。由于IP 網絡、NGN 以及
軟交換網絡三者之間相互聯系，互相應用的關系，使得構建基于
IP 承載網絡和軟交換技術的NGN 被認為是實現三網合一的最適
合的技術。在這種技術下，實現了呼叫控制和承載相互分離的功
能，為運營商提供了巨大的發揮空間，同時在諸多方面降低了運
營成本，提高了網絡數據傳輸速度。但是，盡管NGN 網絡具有諸多
優點，隨著科技的日新月異，電信網絡面臨的巨大挑戰對NGN 網
絡提出了新的要求，使得其在應用中將面臨以下兩種問題。
(1) 難以實現IP 承載網絡的QoS 保證
一般的軟交換網絡在NGN 網絡中，以IP 為曾在網，取代了傳
統的多業務、多體制的電信網絡，實現了網絡業務統一承載、統一
管理的功能。但是對于QoS(Quality of Service) 而言，由于其
比傳統的數據網絡要求高，因此各方面的標準難以達到。比如，在
時延方面，QoS 對網絡時延要求較高，需要滿足實時性。另一方
面，由于軟交換網絡與IP 技術融合，因此NGN 必須以保證QoS 的
承載網為基礎，承載網的性能直接關系到其通信業務的質量。因
此在實際應用中必須對IP 網進行全面的性能測試。
(2) 難以保證NGN 上各種業務的質量
網絡通信業務不僅包括數據傳輸，語音業務作為網絡通信中
的一項業務在實際生活中有著十分重要的應用。隨著人們交流的
日益頻繁，用戶對其語音業務索要達到的水平越來越高。而一般
的NGN 網絡其側重點不在語音業務方面，因此運營商必須對其進
行不斷優化，才能使其更加完善，達到用戶的需求和用戶數量劇
增帶來的通信業本身所存在的壓力。
2.2 設備性能優化。由于軟交換網絡自身的特點，應用于軟
交換網絡的設備也必須滿足其特點才能適用。通過相關研究總得
出，應用于軟交換網絡中的設備主要包括信令網關、綜合媒體網
關、無線網關、應用服務器和路由服務器。為了適應時代的發展，
滿足廣大用戶對通信網絡和通信業務的需求，解決不斷激增的移
動用戶和有限的網絡資源之間的矛盾，必須對軟交換網絡中設備
的性能進行必要的優化。對交換設備的各指標和功能進行分析，
加強監督檢測，定期對設備的各方面進行全面的檢測，及時發現
性能薄弱之處，并做好維護措施，發現問題立即處理，以免造成不
必要的損失。同時做好檢測記錄，交給專業人員分析每次檢測的
結果，做好監督工作。
2.3 網絡安全優化。網絡安全問題顧名思義是指用戶在網絡
通信過程中涉及到的一系列安全性問題，在此特指在軟交換核心
網絡環境中的網絡安全問題。隨著移動終端的不斷更新淘汰，移
動終端為人們提供的服務越來越多，用戶已經不僅僅滿足于簡單
的數據傳遞和語音呼叫業務。電子商務隨之興起，在網絡中進行
買賣已經不再是天方夜譚。而網絡是一個開放的環境，因此其安
全性難以保證。在軟交換網絡中由于使用了專用的IP 網絡，其地
址可以追蹤，網絡質量比傳統的公網好，并且安全性更高，然而隨
著用戶數量的增加，其安全性要求也隨之增加。為了提高安全性，
必須加強監督工作，在后臺中對連接端口進行優化，檢測各移動
終端的來源，并進行安全性評估。
2.4 網絡資源優化。用戶數量的增多對有限的網絡資源帶來
了巨大的挑戰，為此必須進行優化，使得資源分配合理化。因為，
一個MSS 網絡可以控制多個MGW 網絡，因此在軟交換網絡中可以
使用MSS 網絡對資源進行優化分配，提高網絡服務的質量水平，
降低網絡運行成本。另一方面，對各部分的銜接過程中對其進行
深入分析，找出資源分配不合理的部分，合理計算后重新進行分
配整合，合理分配每個ISU 控件中的VMGW 數量。
3 結束語
網絡已經成了人們生活中必不可少的一部分，在其方方面面
給影響著人們的工作、交往和日常生活。為了進一步提高網絡對
人們的服務，網絡優化勢在必行。由于軟交換網絡是目前網絡發
展的主要方向。因此，本文在軟交換網絡的基礎上研究了關于網
絡優化的相關問題。從性能、網絡安全和資源三方面進行討論，研
究基于軟交換環境下網絡的優化方案。
參考文獻
[1] 羅國慶. 軟交換的工程實現. 人民郵電出版社 2014, 32.
[2] 張衛勇. NGN 承載網關鍵技術的探討和選擇, 當代通信,
2006, 13-15.
[3] 程鳳, 崔永江, 魏永剛. 基于軟交換的核心網網絡優化技術
探究. 電子測試, 2013.
（上接99 頁）
的唯一性。目前，有解決這一問題有兩個思路，一是利用多天線技
術，這樣可以增加密鑰生成的可選空間，從簡單的時域信道互易
性擴充到空域，其中如何利用多天線提取通信雙方之間具有“個
性特征”的空間位置關系是其中的關鍵；2）利用信號處理中的框
架理論，為各個不同用戶找到不同的對偶空間，這樣可以更好地
區分各個并不正交的空間信道向量。第3）竊聽用戶無法通過偵
聽通信雙方的信號或者通過窮舉的方法輕易獲得密鑰，這就要求
生成的密鑰具有足夠高的復雜度。對以上三個問題在理論上進行
深入研究是本項目的重要研究內容。
3 無線物理層安全機制評估理論
目前，評估物理層信息傳輸安全性的指標是“保密容量”
（Secrecy Capacity）。其基于香農信息理論，度量的是發射機在
保證竊聽者無法獲得傳輸信息的前提下，能夠使接收端無誤恢復
發射信息的最大信息傳輸速率。
沿襲傳統的香農信息理論，保密容量給出的是一個理論上
界，達到該界需要一系列的假設前提。例如：1）發射機需要確知
其與竊聽用戶之間的信道；2）理論上達到該界需要采用無窮長
的編碼；3）達到保密容量往往要求在發射端采用高斯碼書。但是
由于這些假設在實際情況下很難得到滿足，例如，在實際情況下
發射機無法知道竊聽者的信道，甚至不能確定竊聽者是否存在以
及竊聽者的數目，因此，雖然保密容量的概念從理論上給出了物
理層安全機制的評估手段，其在實際中的應用仍有很大局限性。
另一方面，在很多信道下保密容量界仍然是很難計算的，特
別是在本研究關注的無線衰落信道下，目前仍無法很好地得到其
保密容量。例如復合竊聽信道（Compound Wire-tap channel）是
目前用來對無線信道衰落進行建模得到的竊聽模型，然而，采用
多天線的MISO、MIMO 復合竊聽信道等的保密容量目前仍沒有結
果。
因此，建立更為可行、并能夠適用于無線衰落信道特征的物
理層安全機制評估理論是一個重要研究內容。它為無線通信物理
層安全機制的設計提供指導，并為多種安全機制之間的比較提供
了統一的框架和準則。

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