简介随着5G技术的发展，无线通信技术的应用已经渗透到社会各个领域，无线网络（5G）已经深刻影响着人们的日常生活和社会生产。无线网络中的各种机密和敏感数据（如财务信息、个人银行账户和信用卡信息、个人医疗信息等）正在大量增加，随之而来的信息安全问题也很突出，保护无线通信系统的安全正成为越来越重要[1-4]。与传统的有线网络相比，无线信道是开放和广播的，使得无线通信网络中的用户容易受到窃听、攻击和干扰[5]。传统的无线通信系统通常在链路层及其上层使用基于密码学的加密算法来保证通信安全，例如对称密钥加密和非对称密钥加密的应用[6,7]。基于密码学的加密算法的安全性是基于计算安全性的，即当密钥未知时，攻击者无法在限定时间内通过有效计算完成解密。然而，随着计算机计算能力的提高，尤其是量子计算技术的飞速发展[8]，传统加密算法所依赖的数学计算难度不足以抵御攻击，这将导致现有的加密系统面临巨大的挑战。安全威胁[9]]。另一方面，在未来网络的大量新应用场景中，如大规模物联网网络[10]，将连接大量资源受限的传感器节点，这使得密钥分发和管理的复杂性基于密码学极高。甚至难以达到。基于以上背景，无线通信系统的物理层安全技术引起了学术界和工业界的广泛关注[3,11-13]。与传统的基于上层密钥的安全机制相比，一方面，物理层安全机制利用无线通信信道的随机性和唯一性，直接阻止窃听者从开放的无线链路中获取信息，为无线通信用户提供光重量轻，安全性高[14]。另一方面，随着5G大规模多输入多输出（MIMO）技术的发展，无线通信物理层资源越来越丰富，为物理层安全算法的实现提供了有效支撑。最后，物理层安全技术可以与现有的基于密钥的上层安全技术相结合，构建全方位、多层次、高安全性的立体安全体系，满足更多场景、更多业务、更多需求。行业安全需求。因此，物理层安全技术具有很大的研究潜力。基于极化调制的物理层安全技术随着无线技术的发展，极化调制不仅可以提高通信系统的性能，其在物理层安全方面的应用也受到广泛关注。现有研究均从时频域和空中域引入物理层安全算法。事实上，除了载波的幅度、相位和频率可以被调制以携带有用的信息外，信号的偏振态也可以携带信息，与传统的调制技术具有良好的兼容性，因此，偏振域具有很大的应用潜力物理层安全。首先，由于偏振态是对信号轨迹和手方向的描述，是信号的矢量特征，而传统的盲识别和盲解调技术大多研究由幅度、相位或频率组成的标量特征，而对于信号的矢量特征分析研究很少，如果合理引入偏振态调制，可以抵抗基于标量的物理层攻击，在信息维度上获得一定的物理层安全增益。其次，在传统调制技术的基础上引入了偏振态调制，可以将传统的二维平面星座与偏振斯托克斯空间结合形成高维空间的星座，增加了自由度在星座结构和映射规则的设计中。为进一步设计安全高效的星座结构提供了空间。第三，偏振调制具有方向相关的特性，接收机接收到的偏振态随空间方向的变化而变化。利用这一特性，可以设计极化方向调制系统，进一步提高无线通信系统的安全性。最后，无线信道的去极化效应使得信道具有更强的差异性和随机性，可以进一步用于设计加密算法来恶化窃听信道的质量。本文将从以上几个方面介绍基于极性调制的物理层安全技术。1.基于极化高维星座的物理层安全技术极化调制的特殊矢量特性和信道的去极化效应为无线通信的物理层安全提供了资源。文献[15]将偏振态调制与传统调制技术相结合。极化状态用于携带机密信息以建立隐蔽的通信链路。通过高维星座设计，可以在不改变功率谱分布的情况下实现。信息传输。文献[16]提出了一种安全高效的极化星座设计方法。通过合理利用极化星座的非线性特性，可以在保证频谱效率的同时实现安全传输。文献[17]提出了一种基于极化多维星座的正交频分复用(OFDM)物理层安全通信机制。通过高维星座设计，可以对调制信息进行有效加密，保护无线通信的调制信息不被发现，从而保证无线通信的安全。图1高维安全极化调制星座2.基于极化方向特性的物理层安全技术由于极化调制具有特殊的调制解调特性，极化调制通信具有方向相关的特性。齐帅[18]结合方向调制和极化调制，在方向调制中利用天线阵列的方向性，在理想方向信道的零空间上加入干扰激励，可以使窃听者接收到的信息发生畸变，极化调制（PM）取代方向调制PSK后，可以进一步提高窃听者接收到的信息的误码率。文献[19]提出了一种基于方向极化状态调制技术的双极化卫星多输入多输出（MIMO）安全传输方法，该方法将传输信号的极化状态与接收方方向信息相结合，差分传输实现了信号的解调，增加了接收机在非期望方向解调信息的难度。文献[20]对偏振态的空间方向依赖性进行建模，并基于这种方向依赖性，设计了一种基于偏振方向调制的物理层通信系统，可以具有更窄的主瓣和有效接收范围。图2.偏振态受空间影响。图3基于无线信道去极化效应的物理层安全技术。LayerSecurity提供资源。由于去极化效应与信道密切相关，不同的无线信道受去极化效应的影响不同。因此，可以利用无线信道的去极化效应来加密信息。文献[15]利用去极化效应对合法信道进行预补偿，消除了去极化效应对合法接收信道的影响，同时恶化了窃听信道的接收质量。文献[21]采用极化态与传统调制技术相结合的方式设计高维星座，并进一步设计基于信道去极化效应的信道预编码矩阵，增加合法接收端与窃听端之间的信道差异。极化域实现物理层安全传输。图3极化星座接收信道去极化效应并产生失真极化域中的大量信息尚未得到充分应用，在物理层安全领域具有巨大的应用潜力。参考文献[1]PerrigA,StankovicJA,WagnerD.无线传感器网络安全。共同ACM[J]．中国民航总局,2004,47(6):53-57.[2]PundirS、WazidM、SinghDP等人。集成到物联网部署的无线传感器网络中的入侵检测协议：调查和未来挑战[J]。IEEE访问,2020,8:3343-3363.[3]WangD，BaiB，ZhaoW，等。无线物理层安全优化方法综述[J]．IEEECommunicationsSurveysandTutorials,2019,21(2):1878-1911.[4]UllahH、GopalakrishnanNairN、MooreA等人。5G通信：车联网、无人机和医疗用例概述[J]。IEEE访问,2019,7:37251-37268.[5]ShiuY，ChangSY，WuH，等。无线网络中的物理层安全：教程[J]。IEEE无线通信,2011,18(2):66-74.[6]Massey,J.L.当代密码学导论[J]。IEEE会议记录，76(5)：533-549.[7]巴伦吉一个，BreveglieriL、KorenI等人。密码设备故障注入攻击：理论、实践与对策[J]．IEEE会议记录，100(11)：3056-3076.[8]BennettC、BernsteinE、BrassardG等人。量子计算的优缺点[M]．26.1997:1510-1523.[9]MoradiA,ShalmaniMTM,SalmasizadehM.一种针对AES密码系统的差分故障攻击的通用方法[J]。国际象棋,2006,4249:91-100.[10]ZhouJ,CaoZ,DongX,etal.基于云的物联网的安全和隐私：挑战[J]。IEEE通讯杂志，55(1):26-33.[11]QiQ，ChenX，ZhongC，等。蜂窝物联网海量接入的物理层安全[J].科学中国信息科学,2020,63(2).[12]El-RewiniZ、SadatsharanK、SelvarajDF等。车载通信中的网络安全挑战[J].车载通信,2020,23.[13]BhoyarP、SahareP、DhokSB等。通信技术和s物联网的安全挑战：全面回顾[J].AEU-国际电子与通信杂志，2019，99：81-99。[14]唐杰．未来无线通信中基于物理信道的安全技术研究[D].电子科技大学,2018.[15]DongW,LiliL,MengZ,等人。一种基于偏振态调制的无线通信物理层安全方案[C]．MILCOM2016-2016IEEE军事通信会议，2016：1195-1201.[16]HuangW，ZhangQ，WeiD，等。物理层安全的安全和节能星座[C]。2019年IEEE智能物联网国际会议(SmartIoT),2019:479-483.[17]刘哲，张巧玉，程明明。基于极化多维星座调制的OFDM物理层安全通信机制[J]．北京邮电大学学报,2018,41(04):9-15.[18]齐帅,张邦宁,郭道生,等.基于定向偏振调制的安全可靠传输技术研究[J]．信息技术与网络安全,2018,37(07):27-32.[19]罗章凯，王华礼，卢望涵。基于方向极化状态调制的卫星MIMO安全传输方法[J].系统工程与电子技术,2017,39(04):888-892.[20]张Q，杨Z，王W，等。一种基于双极化天线的定向调制方案[C].2019年第26届国际电信会议（ICT），2019：468-473.[21]李敏、梁丽丽、魏东。基于偏振态调制的无线通信物理层安全传输技术[J].信息安全学报,2018,3(05):105-117.
