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 引 言

隨著5G技術的發展，無線通信技術的應用深入社會的各個領域，無線網絡(5G)深刻地影響著人們的日常生活和社會生產。無線網絡中的多種保密和敏感數據(如金融信息，個人銀行賬戶和信用卡信息，個人醫療信息)等呈海量式增長，隨之而來的是突出的信息安全問題，而保障無線通信系統的安全變得越來越重要[1-4]。相比于傳統的有線網路，無線信道具有開放和廣播的特性，使得無線通信網絡中的用戶很容易受到竊聽、攻擊和干擾[5]。傳統的無線通信系統通常在鏈路層及其上層采用基于密碼學的加密算法來保證通信的安全性，如對稱密鑰加密和非對稱密鑰加密的應用[6,7]。基于密碼學的加密算法的安全性建立基于計算安全，即在密鑰未知的情況下，攻擊者無法在有限時間內通過有效計算完成解密。但是隨著計算機的計算能力提高，特別是量子計算技術[8]的快速發展，傳統加密算法所依賴的數學計算難度不足以抵抗攻擊，將導致現有的加密系統面臨極大的安全威脅[9] 。另一方面，在未來網絡的大量新型應用場景中，如大規模 IoT 網絡[10]，將接入海量的資源受限傳感節點，使得基于密碼學的密鑰分發和管理的復雜度極高甚至難以實現。基于上述背景，無線通信系統物理層安全技術引起了學術界的和工業界的廣泛關注[3,11-13]。

相比于傳統的上層基于密鑰的安全機制，一方面，物理層安全機制利用無線通信信道的隨機性和唯一性，直接阻斷竊聽者從開放的無線鏈路獲取信息，為無線通信用戶提供輕重量高安全保障[14]。另一方面，隨著5G中大規模多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技術的發展，無線通信物理層資源越來越豐富，為實現物理層安全算法提供了有效的支撐。最后，物理層安全技術可以與現有的上層基于密鑰的安全技術相結合，構筑一個全方位的、多層次、高安全的立體化安全體系，滿足更多場景，更多業務，更多行業的安全需求。因此，物理層安全技術具有巨大的研究潛力。

基于極化調制的物理層安全技術

隨著無線技術的發展，極化調制不僅能提升通信系統性能，其在物理層安全方面的應用也受到廣泛關注。現有研究均是從時頻域、空域引入物理層安全算法，事實上，除了載波的幅度、相位和頻率可以被調制承載有用信息外，信號的極化狀態也可以承載信息，而且對傳統調制技術具有很好的兼容性，因此，極化域有著巨大的物理層安全潛力。首先由于極化狀態是關于信號軌跡與旋向的描述，是信號的矢量特征，而傳統的盲識別和盲解調技術多是針對幅度、相位或頻率等構成的標量特征進行研究，而針對信號的矢量特征分析的研究非常少，如果合理地引入極化狀態調制，可以對抗基于標量的物理層攻擊，在信息維度上獲得一定的物理層安全增益。其次，在傳統調制技術的基礎上引入極化狀態調制，可將傳統的二維平面星座與極化stokes空間結合形成高維空間中的星座，增大了星座結構和映射規則設計的自由度，為進一步設計安全高效的星座結構提供了空間。再次，極化調制具有方向依賴特性，接收機收到的極化狀態隨空間方位變化而變化，利用這一特性可以設計極化方向調制系統，進一步增加無線通信系統的安全性。最后，無線信道的去極化效應使得信道具有更強的差異性和隨機性，可以進一步利用該特點設計加密算法惡化竊聽信道質量。本文將從上述幾個方面對基于極化調制的物理層安全技術展開介紹。

1、基于極化高維星座的物理層安全技術

極化調制特殊的矢量特性和信道的去極化效應為無線通信的物理層安全提供了資源。文獻[15]極化狀態調制與傳統調制技術相結合，極化狀態被用來承載機密信息建立隱蔽通信鏈路，通過高維星座設計，可實現在不改變功率譜分布的前提下，實現極化信息的傳輸。文獻[16]提出了一種安全高效的極化星座設計的方法，通過合理的利用極化星座的非線性，可以在保障頻譜效率的同時實現安全傳輸。文獻[17] 提出了一種基于極化多維星座的正交頻分復用(OFDM) 物理層安全通信機制，通過高維星座設計，可以有效地加密調制信息，保護無線通信的調制信息不被發現，從而保證無線通信的安全。

圖1 高維安全極化調制星座

2、基于極化方向特性的物理層安全技術

由于極化調制具有特殊的調制解調特性，極化調制通信具有方向依賴特性。Qi Shuai[18]將方向調制和極化調制相結合，利用方向調制中天線陣列的方向性和在理想方向信道的零空間上加干擾激勵，可以使竊聽者接收的信息產生畸變， 將極化調制(PM) 代替方向調制的 PSK 后，可以進一步增大竊聽者接收信息的誤碼率。文獻[19]提出一種基于方向-極化狀態調制技術的雙極化衛星多輸入多輸出(multi input multi output，MIMO)安全傳輸方法，該方法將傳輸信號的極化狀態與接收機方位信息相結合，實現信號差異性發射，增大非期望方向接收機解調信息的難度。文獻[20]建模了極化狀態的空間方向依賴特性，并基于此方向依賴特性，設計了基于極化方向調制的物理層通信系統，該系統可以具有更窄的主瓣和有效接收范圍。

圖2 極化狀態受空間影響熱度圖

3、基于無線信道去極化效應的物理層安全技術

無線信道去極化效應成為了限制極化調制在無線通信系統中應用的最大瓶頸，但同時為物理層安全提供了資源。由于去極化效應與信道密切相關，不同的無線信道受到的去極化效應影響也有所不同，因此，無線信道去極化效應是可以被用來加密信息。文獻[15]利用去極化效應對合法信道進行了預補償，消除去極化效應對合法接收信道影響的同時惡化了竊聽信道接收質量。文獻[21]利用極化狀態與傳統調制技術相結合設計高維星座，進一步基于信道去極化效應設計信道預編碼矩陣，增大合法接受者和竊聽端在極化域的信道差異實現物理層安全傳輸。

圖3 極化星座收到信道去極化效應產生畸變

結 語

雖然極化狀態調制已經在物理層安全領域得到了部分應用，然而現有的基于極化狀態調制的物理層安全傳輸系統都是基于信道的去極化效應實現物理層安全防護，極化域的很多信息沒有得到充分應用，在物理層安全領域有著巨大的應用潛力。

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