1、 基于定向調(diào)制的密碼安全無(wú)線電摘要定向調(diào)制(DM)可以被視為一個(gè)新的前沿物理層通信安全。這個(gè)新的技術(shù)使用天線陣列作為一個(gè)空間加密系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)分區(qū)周?chē)臻g的地區(qū)完全地智能或用故意混淆來(lái)傳播。不過(guò),能量和頻譜效率的當(dāng)前定向調(diào)制系統(tǒng)以及它們的加密健壯性落后于現(xiàn)代密碼學(xué)和無(wú)線電通信的性能標(biāo)準(zhǔn)。這貢獻(xiàn)提出了一種泛化的定向調(diào)制概念,克服了最初的公式的局限性,使其兼容現(xiàn)有的數(shù)字調(diào)節(jié)和密碼安全。數(shù)值分析以及現(xiàn)實(shí),實(shí)現(xiàn)高碼率結(jié)果的提出支持了該方法。索引詞物理層加密,正交頻分多路復(fù)用技術(shù)。1.介紹 通信的安全一直是一個(gè)熱門(mén)話題，從無(wú)線電科學(xué)的早期以來(lái)就涉及民事和軍事應(yīng)用。最近幾年利用傳播媒體的物理性質(zhì)作為一種有

2、效的方式提供信息安全使物理層加密獲得關(guān)注。在這樣的背景下,最近的研究(見(jiàn)1 - 4)已經(jīng)證明天線陣列可以作為一個(gè)“空間濾波器”能夠加密通信,使信號(hào)明顯只有在一定區(qū)域內(nèi)的空間。因此,傳播在剩余空間的一部分，在這部分可能出現(xiàn)的竊聽(tīng)者的地方必須考慮自動(dòng)中斷。這非常有吸引力的技術(shù)通常在文獻(xiàn)中被稱(chēng)為定向調(diào)制(DM)(1、3、4),在提供信息保密的所有通信場(chǎng)景擁有巨大的潛力。這個(gè)場(chǎng)景是一個(gè)或多個(gè)下面的應(yīng)用:(i)標(biāo)準(zhǔn)加密密鑰可能被破壞,(ii)密鑰分發(fā)困難或沒(méi)有可用分配關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施,和(iii)有限設(shè)備。作者要感謝意大利國(guó)防部部長(zhǎng)Generale della Difesa,為聯(lián)合資助LICOLA項(xiàng)目，這個(gè)

3、項(xiàng)目致使結(jié)果描述在這個(gè)工作中。此外,作者也謝謝Marco Luise教授, Agostino Monorchio教授(比薩大學(xué))和他們的員工在每個(gè)階段為提供這個(gè)項(xiàng)目的寶貴支持。 (a) (b) (c) (d) 圖1所示。星座在待區(qū)內(nèi)接收。從明了區(qū)域傳統(tǒng)DM與一般DM方法在兩個(gè)角度(方位角、仰角)相對(duì)。計(jì)算能力抑制傳統(tǒng)加密方法的應(yīng)用。在這種情況下,沒(méi)有DM,剩下的是選擇傳輸未受保護(hù)的信息或完全放棄傳輸。提供已知的合法的位置目的地(將被自由竊聽(tīng)),DM將允許安全通信。同時(shí),定向調(diào)制的應(yīng)用不是將現(xiàn)有的與傳統(tǒng)密碼學(xué)技術(shù)結(jié)合,因此可以單獨(dú)使用這種系統(tǒng),以防這是只可取于特定場(chǎng)景。文獻(xiàn)中提出的解決方案是基于

4、使用:(i)切換寄生元素2,(ii)交換數(shù)組(1、5),(3)相控陣(3、6),和(iv)雙光束4技術(shù)。然而,上述方法不能提供一個(gè)足夠安全的傳輸,因?yàn)闆Q定區(qū)域很明顯仍在收到星座圖,即使在不受歡迎的區(qū)域(見(jiàn)圖1和討論在宗派2.2)。所有這些技術(shù)的應(yīng)用到現(xiàn)代,帶寬效率和高度誤差保護(hù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)(例如歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)、ETSI、陸地?cái)?shù)字視頻廣播,數(shù)字地面廣播電視7,或其他正交頻分多路復(fù)用系統(tǒng))可以變得非常復(fù)雜。我們的分析修正DM的概念,提出一種普遍的方法,具有兩方面的優(yōu)勢(shì):它降低局限性,同時(shí)簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)。2.廣義的DM方法2.1.相控陣列對(duì)空間加密圖2 DM 發(fā)射機(jī)提出了一種圖形表示,根據(jù)廣義的方法。圖片區(qū)

5、別兩個(gè)主要階段:(1)傳統(tǒng)的發(fā)射機(jī)(基帶單元和射頻部分)產(chǎn)生的信號(hào)選擇廣播標(biāo)準(zhǔn),我們稱(chēng)之為調(diào)制底部,(ii)相控天線陣實(shí)現(xiàn)空間加密系統(tǒng)通過(guò)應(yīng)用合適的動(dòng)態(tài)相移控制策略根據(jù)計(jì)劃階段。這種效應(yīng)是彩色曲線在圖3所示,每個(gè)標(biāo)識(shí)的振幅和相位響應(yīng)一個(gè)相位當(dāng)應(yīng)用于線性陣列的不同維度。所有可能的相集之間的切換,根據(jù)給定的相位控制策略,應(yīng)用相乘變形過(guò)程D(t)基本調(diào)制信號(hào) s(t)。T llD(t, ) =lAl, eil,rectt lT(1)=0A(l,)和(l,)的振幅和相位響應(yīng)分別為11屆設(shè)定在角和Tl在使用的時(shí)間是。 通過(guò)觀察反應(yīng)在圖3中,可以確定的兩個(gè)區(qū)域:(i),在一定角度間隔的錨點(diǎn),信號(hào)的影響上變

6、形可以忽略不計(jì),叫做理解區(qū),和(2)剩余的空間,在那里,根據(jù)控制策略選擇階段,乘法失真可以任意地嚴(yán)重。后者稱(chēng)為待區(qū)。通過(guò)比較不同的情節(jié)在圖3中,很明顯更大的數(shù)組維度如何更好的結(jié)果圖2所示。DM發(fā)射機(jī),根據(jù)廣義的作法。 (a)4x1 (b)8x1 (c)16x1圖3所示。相控陣(各向同性的輻射元素)在0響應(yīng)相位高程的函數(shù)。 待幾何控制的和可理解的區(qū)域。傳輸信號(hào)的頻譜占用幾乎不變?cè)诶斫鈪^(qū)內(nèi),所產(chǎn)生的頻域卷積s(t)和D(t),可以非常穩(wěn)定(通過(guò)合適的相位控制策略,最壞情況待光譜展寬 5%)甚至在區(qū),同時(shí)仍然保留大量的安全性能。 這種方法的主要原理是由使用一個(gè)典型的天線陣列作為無(wú)線電空間加密裝置,同

7、時(shí)部分放棄其經(jīng)典函數(shù)作為一個(gè)定向天線。仍然,盡管一個(gè)重要退下(通常是3到4 dB 4數(shù)組元素和六位元數(shù)字相移)的最大可實(shí)現(xiàn)的天線增益需要為了實(shí)現(xiàn)通過(guò)廣義DM方法,一個(gè)絕對(duì)有用的相控陣的指向性獲得但是可以保留。 對(duì)典型的DM系統(tǒng),使用獨(dú)立天線陣的空間加密傳輸信號(hào)允許解耦與天線信號(hào)生成管理的復(fù)雜性,從而使空間天線為更復(fù)雜的處理階段。反過(guò)來(lái),這種有利理想資產(chǎn)實(shí)現(xiàn)更好的控制空間和一個(gè)更健壯的安全信息。此外,基帶之間的異步調(diào)制和相控陣,這成為一個(gè)可行的選項(xiàng)如果采用建議的方法,允許應(yīng)用DM安全屬性主要是所有當(dāng)前技術(shù)發(fā)展水平第吉爾調(diào)節(jié)(如編碼OFDM、擴(kuò)頻、經(jīng)典脈沖形狀信號(hào))。事實(shí)上,廣義的方法命名它所提供

8、的自由和靈活性在選擇基本調(diào)制。顯然,為了達(dá)到良好的溝通和安全性能,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇廣播標(biāo)準(zhǔn)仍然必須考慮在設(shè)計(jì)整個(gè)階段控制策略在天線階段。事實(shí)上,一個(gè)好的相位控制策略解決了關(guān)鍵的權(quán)衡了所有相關(guān)的目標(biāo):用密碼寫(xiě)的安全、信號(hào)完整性理解區(qū)域,禁止區(qū)和系統(tǒng)整體復(fù)雜光譜展寬。方向性鏟背和數(shù)組維度提供其自由度通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。經(jīng)典的反對(duì)DM-based系統(tǒng)是太空安全也可以很容易地實(shí)施通過(guò)限制功率輻射只通過(guò)傳統(tǒng)的波束形成技術(shù)所需的提出今后。仍然,這種觀點(diǎn)忽略了以下三個(gè)突出的事實(shí):(i)如果我們甚至想象限制輻射有很好的指令天線(有旁瓣水平,-30分貝),30 dB指向性就足夠了,對(duì)于一個(gè)對(duì)手瞄準(zhǔn)他的天線系

9、統(tǒng)的一個(gè)側(cè)葉,訪問(wèn)完整的傳播。(2)考慮到相同數(shù)量的數(shù)組元素,通過(guò)適當(dāng)?shù)南辔豢刂撇呗?理解區(qū)域可以比等效的-10分貝束窄典型的相控陣。(3)如果采用常規(guī)波束形成,避免信息泄漏控制輻射產(chǎn)生的不希望的方向需要人造的噪聲注入8,付出的代價(jià)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和減少功率效率。2.2。密碼安全記錄教派的預(yù)期。1,當(dāng)前技術(shù)發(fā)展水平DM系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)較小的信號(hào)退化明了的區(qū),以及主要的星座在待區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)換和扭曲。不過(guò),正如圖1中可見(jiàn)。& 1。c,獲得的星座維護(hù)一個(gè)非常重要的濃度然而扭曲和改變符號(hào)區(qū)待整個(gè)區(qū)域。換句話說(shuō),不同實(shí)例的星座符號(hào)一樣注重獲得同一地區(qū)的星座圖,雖然轉(zhuǎn)換和重新安置等領(lǐng)域關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)的決策區(qū)域。這樣

10、的信號(hào),盡管已經(jīng)收到了正確的待的核心地帶,仍然含有大量的信息傳輸明文,重建的范圍傳播消息甚至觸手可及,而平原和簡(jiǎn)單通信情報(bào)(信號(hào)情報(bào))方法。實(shí)際上,同步恢復(fù)后的標(biāo)準(zhǔn)方式通常采用傳統(tǒng)的脈沖整形調(diào)節(jié),得到扭曲的星座映射可以尋找地區(qū)符號(hào)實(shí)例集中發(fā)生。這將導(dǎo)致新德的定義DM Approach(Az,El) From Intelligible ZoneSEMClassic(45, 30)0Classic(45, 60)0Generalized(45, 60)0.96Generalized(45, 30)0.55區(qū)域?qū)?yīng)于原始的不失真。隨后,每個(gè)新定義的區(qū)域映射到原始的一個(gè)任務(wù),可以進(jìn)行據(jù)幾位,而著名的攻

11、擊策略。例如,一個(gè)非常簡(jiǎn)單的蠻力攻擊使用的統(tǒng)計(jì)復(fù)發(fā)甚至未知位幀定位前言作為其退出條件就夠了。其他出口為對(duì)象可以包括識(shí)別已知的飛行員符號(hào)或序列以及可能的已知明文的段。 顯然,收到的星座圖,所有實(shí)體每個(gè)符號(hào)的均勻分散在復(fù)平面(或在某一給定的一部分)將是理想的條件,以防止這些攻擊。這是真的,因?yàn)樵谶@種情況下,唯一決定區(qū)聯(lián)合每個(gè)符號(hào),基于濃度的措施,將整個(gè)復(fù)平面(或其上述sub-part)和含糊其辭符號(hào)將會(huì)最大化(見(jiàn)圖1. b)。為了提供一個(gè)定量測(cè)量的效力DM技術(shù)近似這種理想情況待收到信號(hào)內(nèi)區(qū),一個(gè)描述性的參數(shù),稱(chēng)為符號(hào)含糊其辭規(guī)(SEM),定義。SEM = 0時(shí)區(qū)域相對(duì)于每個(gè)星座符號(hào)是完全分離的,別

12、宗派,它等于1而不是理想時(shí),完整的模棱兩可的情況。這是定義如下:M 1j=i carcj cj ZiSEM =i=0(2)(M 1)NsM是用星座的基數(shù),Ns是傳播的數(shù)量獨(dú)立均勻分布的眺望符號(hào),ci是每收到發(fā)生的第i個(gè)星座符號(hào),和子區(qū)域的復(fù)平面(在接收端)與ci(見(jiàn)圖1)。圖1顯示了典型的待區(qū)性能的經(jīng)典DM技術(shù)以及廣義方法接收時(shí),在兩個(gè)不同的角度理解區(qū),一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的4-QAM傳播通過(guò)一系列2 x2的星座。SEM值這兩種技術(shù),角度提供選項(xiàng)卡。1。一起支持高容量、高錯(cuò)誤pro-tected現(xiàn)代無(wú)線電調(diào)制棧,DM的廣義方法的一個(gè)主要目標(biāo)確實(shí)是在共同實(shí)現(xiàn)用密碼寫(xiě)的健壯性設(shè)計(jì)天線的基本調(diào)制和空間加密階段。

13、事實(shí)上,使用標(biāo)準(zhǔn)基于hw相移相控天線陣圖4所示。SEM值與方位對(duì)于一些線性陣列。使用廣義DM方法獲得數(shù)據(jù)和QPSK星座。小塊提供一個(gè)洞察劉堯星座方面幾個(gè)重要的SEM的水平。和接受一個(gè)小方向性退下,如教派。2.1所述,提供幾個(gè)自由度。減少信號(hào)失真的信號(hào)是為了接收待在抵制SIGINT攻擊區(qū)域目標(biāo)這樣的自由度是花。Eq。(1)、知識(shí)乘法變形過(guò)程的D(t)相當(dāng)于以下三個(gè)項(xiàng)目:知識(shí)(i)王的所有可用的相位系數(shù)集,(ii)王使用的順序等集,(3)tl使用時(shí)間為每個(gè)集合,所有可以管理一個(gè)真正隨機(jī)或偽隨機(jī)模式。適合無(wú)密鑰前,僅僅基于太空的加密系統(tǒng),后者能夠支持兩種無(wú)密鑰,而不是基于空間待和鍵控操作區(qū)。事實(shí)上,

14、當(dāng)在偽隨機(jī)模式下操作,接收器提供變形過(guò)程的知識(shí),獲得適當(dāng)?shù)耐胶?可以使用這些知識(shí)在本地生成D(t)和刪除它從接收到的信號(hào)。上面提到的三個(gè)基本參數(shù)實(shí)際上構(gòu)成三重三個(gè)soft-valued獨(dú)立項(xiàng)目的關(guān)鍵了,如果決定通過(guò)一個(gè)合適的合作設(shè)計(jì)的D(t)和s(t)可以使蠻力攻擊到目前為止不切實(shí)際。當(dāng)圖5所示。收到了星座圖SEM = 0.55(相同的數(shù)據(jù)在圖1,但沒(méi)有顏色代碼)。圖6所示。DM-based相控陣的原型。輻射ele-ment存根(上圖),控制電子(下圖)。這種情況下,蠻力攻擊的脆弱性是那樣低將直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng),是產(chǎn)生的統(tǒng)計(jì)特性D(t)。3所示。實(shí)現(xiàn)結(jié)果為了驗(yàn)證密碼草案的系統(tǒng)的魯棒性,數(shù)值模擬

15、運(yùn)行,探討了空間分布(待在和intelli-gible區(qū))掃描電鏡的參數(shù)。數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在圖4中提供了一個(gè)合成的結(jié)果用SEM幾個(gè)方位角度參數(shù)的值。通過(guò)使用例如161線性數(shù)組(見(jiàn)圖4),sym-bol含糊其辭= 0 10寬內(nèi)理解區(qū)集中在0,對(duì)稱(chēng)生長(zhǎng)從0到1之間的2.510(15寬角間隔)和總是等于1。其他線性陣列featur-ing較小數(shù)量的元素表現(xiàn)出不同的行為,雖然減少了空間分辨率(即粗控制待在定義的邊界和明了的區(qū))。為了評(píng)估SEM參數(shù)的物理意義,現(xiàn)在值得考慮圖5也包含收到星座點(diǎn),圖1所示。d,唯一的區(qū)別是,真實(shí)的先驗(yàn)信息傳播符號(hào)(在圖1。d通過(guò)使用不同的顏色)移除。尤其是圖5顯示,已經(jīng)與SEM值為

16、0.55(沒(méi)有顏色在圖1. d)提供先驗(yàn)信息,相當(dāng)于決定的identifi-cation區(qū)域?qū)?yīng)于原始不失真的(詳細(xì)的教派。2.2)變得不可能。正確后獲得了足夠的信心通過(guò)數(shù)值分析,一個(gè)真實(shí)的,功能齊全,DM-enabled優(yōu)質(zhì)的發(fā)射機(jī)是由使用9作為實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線電提供基地modula-tion信號(hào)s(t)。所示的非常簡(jiǎn)單的41天線陣,圖7所示。被測(cè)信號(hào)參數(shù)作為待收到理解區(qū)(上圖)和區(qū)域(下圖)。在圖6中及其控制電子產(chǎn)品,而不是用于DM-enabled信號(hào)輻射到周?chē)目臻g。傳輸模式為2048副載波,1/4保護(hù)間隔,16-QAM cho-sen星座和2/3的編碼速率。有用的比特率測(cè)試期間被設(shè)定為11.612 Mbps。采用更多的保護(hù)模式的原因關(guān)于家庭典型的優(yōu)質(zhì)的傳輸是由需要測(cè)試安全性能即使在現(xiàn)代的存在,OFDM-based標(biāo)準(zhǔn)防通道扭曲。測(cè)試不同phase-set ensem-bles理解區(qū)設(shè)定在9090之間不同的角度。接收到的信號(hào)探測(cè)周?chē)麄€(gè)空間通過(guò)一個(gè)測(cè)試接收機(jī)提供星座圖以及誤碼率措施在不同的點(diǎn)沿著解調(diào)鏈。解調(diào)是quasi-er