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Journal of Cybersecurity >

2024 , Vol. 2 >Issue 4: 66 - 75

DOI: https://doi.org/10.20172/j.issn.2097-3136.240406

Academic Research

Analysis and research on the physical layer security of Satellite Internet

  • ZHANG Xiukun 1, 2 ,
  • HAN Yu , 1, 2, * ,
  • WANG Wei 1, 2 ,
  • JIN Linfeng 3
Expand
  • 1. No.36 Research Institute of CETC, Jiaxing 314000, China
  • 2. National Key Laboratory of Electromagnetic Space Security, Jiaxing 314000, China
  • 3. Hangzhou Institute of Technology, Xidian University, Hangzhou 310000, China

Online published: 2024-11-16

Copyright

Copyright ©2024 Journal of Aeronautical Materials. All rights reserved.
Fold

Abstract

With the rapid development of Satellite Internet, how to ensure the security of satellite-to-ground communication has become an inevitable problem. Compared with the traditional key encryption method used for communication security, the new and practical physical layer security technology is a new choice, which makes up many shortcomings of the key encryption method. By making full use of the wireless channel characteristics during the information transmission, it provides a new solution to the existing problem during the security transmission. Focusing on the secure communication model, the actual satellite communication scenario was divided into two situations according to the location relationship, and the physical layer security technologies adopted under different conditions were reviewed from the basic theory. Finally, the future research directions and challenges of the secure communication technology were pointed out.

Key words： satellite communications; physical layer security; wave rapid forming; artificial noise; collaborative interference

Cite this article

ZHANG Xiukun , HAN Yu , WANG Wei , JIN Linfeng . Analysis and research on the physical layer security of Satellite Internet[J]. Journal of Cybersecurity, 2024 , 2(4) : 66 -75 . DOI: 10.20172/j.issn.2097-3136.240406

0 引言

近年来，随着以SpaceX的星链为代表的一系列低轨星座的快速部署和扩张，卫星互联网已经成为全球移动通信中不可或缺的一部分。自2020年4月首次明确将卫星互联网纳入“新基建”范筹到现在，国内已经涌现出多家研究单位对此进行推动发展，例如银河航天于2024年6月成功在泰国实现了低轨宽带卫星的通信网络试验验证并进行了实地演示应用。可以预计在未来，中国也会建设出属于自己的互联网卫星星座。但技术的发展带来的不仅是机遇，还有挑战。如何确保卫星互联网的安全，成为网络空间安全的一个重要问题。
卫星互联网离不开星地之间的通信，卫星通信因其固有的广播性质和广泛的覆盖区域，面临着严重的无线通信安全问题。而物理层作为网络协议栈的最底层，其安全设计一方面不需要考虑其他的安全协议如何执行，不需要消耗大量的通信资源或基础设施；另一方面物理层安全技术与无线传输技术有着天然的共性和联系，实现方式更为便利。并且还可以在解调之前快速验证节点的合法性，节约信号处理资源，避免了非预期的传输。
物理层安全利用物理信道的唯一性和互易性来实现信息加密，通过信道特性、编码、调制等通信传输方法来建立安全的通信模型。但对于星地通信来说，当窃听者在合法接收者附近时（即两者之间的距离相比于星地间距离可以忽略），两者信道近似相同。此时传统的物理层安全技术不再适用，可以通过引入协作方或者增强物理层信号处理技术来提高安全性。

1 卫星通信物理层安全模型建立

如图1所示，在实际的卫星通信场景中，由于星地传输过程中没有障碍物遮挡和反射，此时多径因素的影响可以忽略不记，可以建模为视距（Line Of Sight，LOS）无线传输信道，即信道变化主要与传输距离有关。综合考虑窃听方与合法接收端的位置关系，可以分为两种情况：
图 1 星地物理层安全通信系统模型

Fig.1 Satellite-to-ground physical layer security communication system model

（1）当窃听方与合法接收端距离较近时，两者信道几乎无差异，传统的地面无线物理层安全技术无法保证信息的安全传输。因此，一方面可以考虑在近地面添加同时同频协作干扰中继的方式来实现安全通信。通过添加处于近地面的浮空平台中继，从而人为地创造出差异性的信道，中继到地面的信号在传输中会受到遮挡和反射，并且窃听接收端与合法接收端二者间的距离相对于中继到地面的距离不可忽略，所以在这种条件下中继到合法接收端的信道与中继到窃听接收端的信道具有差异性。可以利用同时同频协作干扰中继发送与其到合法接收端的信道正交的人工噪声干扰信号，在保证合法接收端接收到的信号质量保持基本不变的情况下，显著降低窃听端接收到的信号质量，保障所需的保密容量，实现安全通信。另一方面，还可以通过增强信号处理技术来提高安全性，在信号生成过程中进行一些复杂的处理，例如，将信号按照扩频或者跳频的方式进行调制；在信号调制过程中添加独特的扰码；从信号的传输方式上可以选择猝发通信，通过极大压缩信号的传输时间，降低被侦查截获的概率；还可以考虑利用信道中原有的噪声来恶化窃听方的信道，即利用噪声聚合原理，通过奇偶异或的安全编码方式，将不同时隙的信道噪声聚合，相比于窃听端，合法接收端可以利用反馈重传机制保证自身的信息可靠性，提高系统的安全性能。
（2）当窃听方与合法接收端距离较远时，此时两者的信道具有差异性。这种情况就与地面无线通信情况类似，可以直接应用相对成熟的物理层安全技术，如预编码/波束成形、人工噪声等。
接下来就从物理层安全的基础理论展开，针对上述两种场景中所使用的各种物理层安全技术进行详细介绍。
自1949年香农（Claude Shannon）奠定了信息安全的理论基石并创立了信息论安全的概念以来，一个里程碑式的进展出现了，那就是保密系统模型的提出[1]，这一模型如图2所示。
图 2 香农保密系统模型

Fig.2 Shannon confidentiality system model

模型中在发送端有两个信息源：一个消息源和一个密钥源。密钥源从系统中可能的密钥中产生特定的密钥K。密钥K通过一些特殊的手段被传送，不会被感知。信源产生信息M，同时信息M被加密为码字E，然后发送到接收端。在接收端，解码器结合码字和密钥解码出信息。
信息的安全性能够通过给定码字下信息的信息熵计算，这是因为信息和码字在信息论的角度可以被看作随机变量。也就是利用条件熵$ H(M|E) $表示系统的保密性。当$ H(M|E) = H(M) $时，认为码字E和信息M是统计独立的，满足该式时认为实现了完全保密。在这种情况下，无论窃听者使用任何破解方式，都无法从消息中获取任何信息，称之为无条件安全。当$ H(K) \geqslant H(M) $时，密钥长度与信息长度相同或更长时，也认为可以满足完全保密条件，这意味着每传送一比特的信息，就需要至少一比特的密钥来进行加密。
相对于香农的完美保密的假设模型，Wyner提出了一个保密条件更为宽松的窃听信道模型[2]，如图3所示。该模型也成为后续物理层安全技术发展的理论基础。整个窃听信道模型包括发送者、合法接收者、窃听者、合法信道和窃听信道5个部分。在一次保密通信过程中，信源首先将信息$ {{\boldsymbol{S}}_{\text{k}}} $编码为二进制比特序列$ {{\boldsymbol{X}}_{\text{n}}} $，然后通过窃听信道编码，将该序列进行扩展，并且通过无线信道发送出去。发射信号通过合法信道和窃听信道分别到达接收者和窃听者，接收到的信号分别是$ {{\boldsymbol{Y}}_{\text{n}}} $和$ {{\boldsymbol{Z}}_{\text{n}}} $。那么$ {{\boldsymbol{Y}}_{\text{n}}} $和$ {{\boldsymbol{Z}}_{\text{n}}} $可以表示为：
图 3 怀纳窃听信道模型

Fig.3 Wyner eavesdropping channel model

$ \begin{gathered} {{\boldsymbol{Y}}_{\mathrm{n}}} = {{\boldsymbol{h}}_{{\text{sd}}}}{{\boldsymbol{X}}_{\mathrm{n}}} + {{\boldsymbol{n}}_{\text{d}}} \\ {{\boldsymbol{Z}}_{\mathrm{n}}} = {{\boldsymbol{h}}_{{\text{se}}}}{{\boldsymbol{X}}_{\mathrm{n}}} + {n_{\text{e}}} \\ \end{gathered} $
其中，$ {{{{\boldsymbol{h}}}}_{{\mathrm{sd}}}} $为合法信道的信道系数，$ {{\boldsymbol{h}}_{{\mathrm{se}}}} $为窃听信道的信道系数，$ {{\boldsymbol{n}}_{\text{d}}} $和$ {{\boldsymbol{n}}_{\text{e}}} $分别为合法信道和窃听信道引入的加性高斯白噪声。通过式（1）可知，物理层安全技术的目的就是使窃听方接收不到信号或者信号质量很差，即使式（1）中的$ {{\boldsymbol{h}}_{{\text{se}}}}{{\boldsymbol{X}}_{\mathrm{n}}} $趋近于0或者接近于噪声。或者通过信号加密的形式，使得窃听方难以从$ {{\boldsymbol{Z}}_{\mathrm{n}}} $得到$ {{\boldsymbol{S}}_{\mathrm{k}}} $。
保密容量是衡定系统保密性的重要标准，当窃听信道链路质量差于主信道时，存在合适的窃听信道编码及其相应的保密速率，使得窃听方不能获得任何信息。最大的保密速率被称为保密容量，定义为：
$ {C_{\text{s}}} = \mathop {\max }\limits_x [{C_{\text{m}}} - {C_{\text{w}}}] $
其中，$ {C_{\text{m}}} $为在该编码下合法信道的信息容量，$ {C_{\text{w}}} $为该编码下窃听信道的信道容量。
根据保密容量的公式可知，当窃听信道的容量小于合法信道的容量时，系统可以获得正的保密容量，否则，系统的保密容量等于零。为了获得正的保密容量，有三种基本目标：1）在保证合法信道的信道容量不变的同时，降低窃听信道的信道容量；2）在确保窃听信道的信道容量不变的同时，提升合法信道的信道容量；3）联合优化合法信道和窃听信道的信道容量，增强保密容量。为了实现安全通信这一目标，可以通过一些相关的技术来提高合法用户的接收信号质量，降低窃听用户的接收信号质量。

2 物理层安全技术

物理层安全是指在通信系统的物理层实施的一种安全保护机制，目的是保护无线或有线通信的物理传输链路免受窃听、干扰和入侵等威胁。利用信道特性或加密技术，实现对通信信息的保密性、完整性和可靠性的保护。

2.1 波束成形技术

波束成形是实现系统物理层安全通信的一种基本的技术。波束成形技术主要针对多天线系统，利用空间自由度使信号传输具有指向性，增强合法用户的接收信号质量，同时降低了窃听者的接收信号质量，从而获得了保密容量，实现通信的安全性。核心思想是通过对各发射天线的信号的相位的调节，使合法接收者方向信号强度变大，非法接收者信号强度变小。目前，该技术已经广泛应用于卫星通信系统实现安全通信。
基于多天线MISO系统的窃听模型如图4所示，在模型中，$ {{\boldsymbol{h}}_{{\text{sd}}}} \in {\mathbb{C}^{{N_{\text{s}}} \times 1}} $为合法信道系数，$ {{\boldsymbol{h}}_{{\text{se}}}} \in {\mathbb{C}^{{N_{\text{s}}} \times 1}} $为窃听信道系数；$ {\boldsymbol{s}} $为数据信号矩阵；$ {\boldsymbol{w}} \in {\mathbb{C}^{{N_{\text{s}}} \times 1}} $为波束成形向量，$ {\boldsymbol{ws}} $为发送端发射信号。如果能获取窃听方信道信息，就可以通过调整$ {\boldsymbol{w}} $，使得：
图 4 基于多天线MISO系统的窃听模型

Fig.4 Eavesdropping model based on a multi-antenna MISO system

$ {\boldsymbol{h}}_{{\text{se}}}^{\mathrm{H}}{\boldsymbol{w}} = 0 $
考虑$ {{\boldsymbol{n}}_{\text{d}}} $和$ {{\boldsymbol{n}}_{\text{e}}} $分别为合法接收端和窃听方的高斯白噪声（即0均值，方差分别为$ \sigma _{\text{d}}^2 $和$ \sigma _{\text{d}}^2 $），$ {{\boldsymbol{n}}_{\text{d}}} \in {\mathrm{CN}}(0,\sigma _{\text{d}}^2) $，$ {{\boldsymbol{n}}_{\text{e}}} \in {\mathrm{CN}}(0,\sigma _{\text{e}}^2) $。
从而，合法接收端和窃听方的信噪比分别为
$ \begin{gathered} {\gamma _{\text{d}}} = \frac{{{\boldsymbol{h}}_{{\text{sd}}}^{\mathrm{H}}{\boldsymbol{w}}{{\boldsymbol{w}}^{\mathrm{H}}}{{\boldsymbol{h}}_{{\text{sd}}}}}}{{\sigma _{\text{d}}^2}} \\ {\gamma _{\text{e}}} = \frac{{{\boldsymbol{h}}_{{\text{se}}}^{\mathrm{H}}{\boldsymbol{w}}{{\boldsymbol{w}}^{\mathrm{H}}}{{\boldsymbol{h}}_{{\text{se}}}}}}{{\sigma _{\text{e}}^2}} \\ \end{gathered} $
保密容量为
$ \begin{gathered} {C_{\text{s}}} = {\log _2}(1 + {\gamma _{\text{d}}}) - {\log _2}(1 + {\gamma _{\mathrm{e}}}) \\ = {\log _2}\left(1 + \frac{{{\boldsymbol{h}}_{{\text{sd}}}^{\mathrm{H}}{\boldsymbol{w}}{{\boldsymbol{w}}^{\mathrm{H}}}{{\boldsymbol{h}}_{{\text{sd}}}}}}{{\sigma _{\text{d}}^2}}\right) \\ \end{gathered} $
因为$ {\boldsymbol{h}}_{{\mathrm{sd}}}^{\mathrm{H}}{\boldsymbol{w}}{{\boldsymbol{w}}^{\mathrm{H}}}{{\boldsymbol{h}}_{{\mathrm{sd}}}} > 0 $，所以系统的保密容量$ {C_{\mathrm{S}}} > 0 $，获得了正的保密容量，实现了安全通信。
目前多数波束成形算法都是以提高合法接收端信噪比和降低窃听方信噪比为目标对波束成形向量进行优化，张杰等[3]针对存在单个窃听者的下行多波束卫星通信系统的链路，提出了迫零（Zero Forcing，ZF）和增强信漏噪比两种安全波束成形算法，以最大化安全和速率。LIN等[4]针对单个和多个窃听者的场景，分别提出了基于二阶锥规划的波束成形算法和基于梯度下降的双层迭代波束成形算法。上述技术的提出都是以多天线系统进行实现，伴随着协作波束成形（Cooperative Beamforming，CBF）技术的提出，更多的通信系统采用多个分布式节点协作增强单个节点的传输能力或提高接收性能的方式实现空间分集的效果。邵一焓等[5]针对分布式卫星系统中的安全传输问题，提出一种基于拉格朗日对偶和半正定规划相结合的协作波束成形算法，并得出最优波束成形权矢量。经仿真验证后相比于传统的波束成形方案节省了15 dB到20 dB。
上述的波束成形算法都是假设系统准确地已知窃听者的信息之后进行迭代优化。然而在实际系统中，大多数情况下发射端连窃听者的位置都无法确定，即窃听信道的信息完全未知。这种情况下就无法得出成形算法的最优结果。一种解决办法是提高发送端信号的指向性即增加波束的主副比，使合法接收端方向的信号所受增益最高，只要合法接收端与窃听端方向不同，就能保持$ {\gamma _{\text{d}}} > {\gamma _{\text{e}}} $，使得等式（5）成立。另一种方法就是引入人工噪声技术，在不影响合法接收者信道质量的前提下，对窃听者进行干扰。

2.2 人工噪声技术

人工噪声是一种处于合法信道零空间内的随机噪声，即经过信道后对接收端无任何影响的噪声合集。通过预编码矩阵处理并发送后，通过合法信道时，会与信道相抵消，不会对合法接收端产生影响。但窃听信道与合法信道具有差异性，窃听端仍会受到噪声的干扰，从而降低窃听信道的容量，实现保密通信。
基于人工噪声的窃听模型如图5所示，发送端发送的信号为：
图 5 基于人工噪声的窃听模型

Fig.5 Eavesdropping model based on artificial noise

$ {\boldsymbol{s}} = {{\boldsymbol{x}}_{{{\boldsymbol{s}}}}} + {{\boldsymbol{x}}_{{{\boldsymbol{z}}}}} $
其中，$ {{\boldsymbol{x_z}}} $为人工噪声，满足$ {\boldsymbol{h}}_{{\text{sd}}}^{\mathrm{H}}{{\boldsymbol{x}}_{{{\boldsymbol{z}}}}} = 0 $，人工噪声的生成方式为：
$ {{\boldsymbol{x_z}}} = {\boldsymbol{W_z}} $
其中，$ {\boldsymbol{z}} $为随机噪声矩阵，满足零均值的高斯分布，W为预编码矩阵。
合法接收端和窃听方收到的信号为：
$ \begin{gathered} {{\boldsymbol{y}}_{\text{d}}} = {\boldsymbol{h}}_{{\text{sd}}}^{\mathrm{H}}({{\boldsymbol{x}}_{{{\boldsymbol{s}}}}} + {{\boldsymbol{x}}_{\boldsymbol{z}}}) + {{\boldsymbol{n}}_{\text{d}}} = {\boldsymbol{h}}_{{\text{sd}}}^{\mathrm{H}}{{\boldsymbol{x}}_{\boldsymbol{s}}} + {{\boldsymbol{n}}_{\text{d}}} \\ {{\boldsymbol{y}}_{\text{e}}} = {\boldsymbol{h}}_{{\text{se}}}^{\mathrm{H}}({{\boldsymbol{x}}_{\boldsymbol{s}}} + {{\boldsymbol{x}}_{\boldsymbol{z}}}) + {{\boldsymbol{n}}_{\text{e}}} = {\boldsymbol{h}}_{{\text{se}}}^{\mathrm{H}}{{\boldsymbol{x}}_{{{\boldsymbol{s}}}}} + {\boldsymbol{h}}_{{\text{se}}}^{\mathrm{H}}{{\boldsymbol{x}}_{\boldsymbol{z}}} + {{\boldsymbol{n}}_{\text{e}}} \\ \end{gathered} $
考虑噪声的方差分别为$ \sigma _{\text{d}}^2 $和$ \sigma _{\text{e}}^2 $，那么在合法端和窃听方的信噪比分别为：
$ \begin{gathered} {\gamma _{\text{d}}} = \frac{{{P_{\text{s}}}{{\left\| {{{\boldsymbol{h}}_{{\text{sd}}}}} \right\|}^2}}}{{\sigma _{\text{d}}^2}} \\ {\gamma _{\text{e}}} = \frac{{{P_{\text{s}}}{{\left\| {{{\boldsymbol{h}}_{{\text{se}}}}} \right\|}^2}}}{{\sigma _{\text{z}}^2{\boldsymbol{h}}_{{\text{se}}}^{\mathrm{H}}{\boldsymbol{W}}{{\boldsymbol{W}}^{\mathrm{H}}}{{\boldsymbol{h}}_{{\text{se}}}} + \sigma _{\text{e}}^2}} \\ \end{gathered} $
保密容量为：
$ {C_{\text{s}}} = {\log _2}(1 + {\gamma _{\text{d}}}) - {\log _2}(1 + {\gamma _{\text{e}}}) $
根据上述公式可以得出结论，采用人工噪声技术可以在合法信道的信道质量差于窃听信道时也获得正的保密容量，即在合法信道的信道质量差于窃听信道的信道质量时，通过人工噪声技术来实现系统的安全通信。
以上的传统人工噪声方法适用于发送端多天线的情况，但为了在不改变原有物理层硬件结构的基础上应用此技术，即不采用多天线系统。石荣等[6]提出在射频端通过合路器的方式实现主动加噪。
基于射频合成的主动加噪技术的具体实现方式如图6所示。与多天线系统不同，射频合成的方式中由于射频信号是噪声和正常通信信号的叠加，如果不做任何处理，合法接收端与窃听端的信噪比几乎相同，所以需要在自加噪传输模式中采取附加的长码扩频措施，即正常通信发射方在信号发射时，采用无周期的直接序列长码对传输信号进行扩频，正常通信接收方通过解扩操作等效于提高了通信接收端的信噪比。经公式推导后可知合理分配信号功率与噪声功率的数值，就可以使得通信侦察方处于低信噪比，甚至负信噪比条件，由于窃听方无法对扩频信号实施直接解调来恢复非周期的扩频长码序列，更无法通过解扩来提高侦察接收的带内信噪比，这实际上就等效于消除了窃听方实施非合作解调的前提条件，从而有效阻止了其对物理层信息的获取，确保了通信传输的物理层安全。
图 6 基于射频合成的主动加噪技术

Fig.6 Active noise enhancement technology based on radio frequency synthesis

上述的多天线人工噪声技术需要已知合作信道的瞬时状态，才能设计出最优的噪声预编码矩阵，保证噪声与信道相抵消或者影响最小。但实际情况中，系统对于合法接收端的信道估计也存在误差，而误差会对人工噪声的设计产生影响，使其对合法接收端产生或多或少的干扰，从而使保密性能有所损失。针对这一缺点，结合目前已经非常成熟的深度学习技术，提出了一种基于深度学习的人工噪声预编码生成方法[7]，通过将有误差的信道估计信息作为输入，与无估计误差情况下传统数值求解得到的预编码矩阵进行拟合，训练得到可适应信道估计误差的深度神经网络。相比于传统数值求解方法，对于实际无线系统中信道信息无法准确估计的情况，具有更好的实用价值。
上述的人工噪声都是在发送端进行添加的，考虑到全双工技术的优势，接收端也可以发射噪声。在接收发送端有用信号的同时发射同频的干扰信号对窃听端进行干扰，由于合法接收端可以进行自干扰消除，所以其发射的干扰信号主要对窃听端进行了干扰，从而降低了窃听端的接收信号质量，获得保密容量。这种方式不需要信道的瞬时状态信息，但自干扰消除的好坏会影响系统的保密性能。

2.3 协作干扰

星地传输场景中，如果窃听方就在合法接收端的附近，则两者与卫星之间的信道几乎相同。在这种情况下，波束成形和人工噪声对通信安全的提升效果不明显，无法保障通信安全。
从传统物理层安全技术需要信道差异性这一角度出发，可以人为地创造出差异性的信道，即添加中继进行协作干扰[8]。如图7所示，利用中继到合法接收端和窃听方的信道不同，采用人工噪声的思想播发经过预编码的噪声。经过预编码的噪声对合法接收端几乎无影响，但大大降低了窃听方的信噪比，以此实现保密通信。
图 7 卫星通信的协作干扰场景

Fig.7 Cooperative jamming scenario for satellite communications

合法接收端和窃听方接收信号推导为：
$ \begin{gathered} {{\boldsymbol{y}}_{\text{d}}} = \sqrt {{P_{\text{s}}}} {\boldsymbol{h}}_{{\text{sd}}1}^{\rm{H}}{{\boldsymbol{x}}_{{{\boldsymbol{s}}}}} + \sqrt {{P_{\text{r}}}} {\boldsymbol{h}}_{{\text{sd}}2}^{\mathrm{H}}{{\boldsymbol{x}}_{\boldsymbol{z}}} + {{\boldsymbol{n}}_{\text{d}}} \\ {{\boldsymbol{y}}_{\text{e}}} = \sqrt {{P_{\text{s}}}} {\boldsymbol{h}}_{{\text{se}}1}^{\mathrm{H}}{{\boldsymbol{x}}_{\boldsymbol{s}}} + \sqrt {{P_{\text{r}}}} {\boldsymbol{h}}_{{\text{se}}2}^{\mathrm{H}}{{\boldsymbol{x}}_{\boldsymbol{z}}} + {{\boldsymbol{n}}_{\text{e}}} \\ \end{gathered} $
其中，$ {{\boldsymbol{y}}_{\text{d}}} $为合法接收端接收的信号，$ {{\boldsymbol{y}}_{\text{e}}} $为窃听方接收到的信号，$ {P_{\text{s}}} $和 $ {P_{\text{r}}} $分别为卫星和中继的发射功率，$ {{\boldsymbol{h}}_{{\text{sd}}1}} $为发射端到合法接收端的信道状态信息矢量，$ {{\boldsymbol{h}}_{{\text{se}}1}} $为 发射端到窃听方的信道状态信息矢量，$ {{\boldsymbol{h}}_{{\text{sd}}2}} $为中继到合法接收端的信道状态信息矢量，$ {{\boldsymbol{h}}_{{\text{se}}2}} $为中继到窃听方的信道状态信息矢量，$ {{\boldsymbol{n}}_{\text{d}}} $为合法接收端的加性复高斯随机噪声，$ {{\boldsymbol{n}}_{\text{e}}} $为窃听方的加性复高斯随机噪声。$ {{\boldsymbol{x}}_{\boldsymbol{s}}} $为发射端的数据信号，功率为 1；$ {{\boldsymbol{x}}_{\boldsymbol{z}}} $为协作干扰中继发送的人工噪声干扰信号，是伪随机复高斯噪声，与$ {{\boldsymbol{h}}_{{\text{sd}}2}} $正交，即$ {x_z} $位于信道$ {{\boldsymbol{h}}_{{\text{sd}}2}} $的零空间内，功率为 1。
合法接收端和窃听方的信噪比可表示为
$ \begin{gathered} {\gamma _{\text{d}}} = \frac{{{P_{\text{s}}}{{\left\| {{{\boldsymbol{h}}_{{\text{sd}}1}}} \right\|}^2}}}{{\sigma _{\text{d}}^2}} \\ {\gamma _{\text{e}}} = \frac{{{P_{\text{s}}}{{\left\| {{{\boldsymbol{h}}_{{\text{se}}1}}} \right\|}^2}}}{{{P_{\text{r}}}{{\left\| {{\boldsymbol{h}}_{{\text{se}}2}^{\mathrm{H}}{\boldsymbol{W}}} \right\|}^2} + \sigma _{\text{e}}^2}} \\ \end{gathered} $
其中，W为人工噪声的预编码矩阵。
保密容量为：
$ {C_{\text{s}}} = {\log _2}(1 + {\gamma _{\text{d}}}) - {\log _2}(1 + {\gamma _{\text{e}}}) $
在合法接收端与窃听方高斯噪声相等的情况下（$ \sigma _{\text{d}}^2 = \sigma _{\text{e}}^2 $），$ {\left\| {{{\boldsymbol{h}}_{{\text{sd}}1}}} \right\|^2} = {\left\| {{{\boldsymbol{h}}_{{\text{se}}1}}} \right\|^2} $，$ {P_{\text{r}}}{\left\| {{\boldsymbol{h}}_{{\text{se}}2}^{\mathrm{H}}{\boldsymbol{W}}} \right\|^2} > 0 $，所以$ {\gamma _{\text{d}}} > {\gamma _{\text{e}}} $，保密容量大于0。证明了该方法可以实现窃听接收端与合法接收端距离较近情况下的安全通信。除此之外，加大发射端和中继的信号功率，可以增大保密容量。

2.4 协作中继

除了协作干扰外，还可以在地面建立中继节点，在对信号进行接收和转发的过程中进行一些处理以提高安全性[9]，场景如图8所示。协作中继节点在转发信息时，放大转发（Amplify and Forward，AF）和解码转发（Decode and Forward，DF）是最常用的两种协作通信协议。可以通过AF和DF中继策略来改善主信道的传输质量，从而帮助接收者提高安全速率和安全容量。
图 8 卫星通信的协作中继场景

Fig.8 Cooperative relay scenario for satellite communications

在中继协作的星地通信中，卫星和合法用户的通信历经两个阶段。 第一阶段，卫星发送信息给地面中继，中继接收卫星信号。第二阶段，地面中继向合法用户转发卫星信号。当出现窃听者时，窃听者可能只窃听中继转发的信号，也可能同时窃听卫星信号。目前大量的研究表明，中继技术不仅可以提高系统性能，而且可以帮助系统进一步实现安全通信、抵御窃听攻击[10]。不同的中继协议有不同的作用，不同的中继调度方案对系统性能产生不同的影响，无论是中继协议还是中继调度方案，没有对所有系统适用的绝对最优方案，都需要根据通信系统本身的性能来具体确定。因此，为了构建更优的星地网络结构，提升系统性能，学者在不同网络结构和不同场景下对中继协议和中继调度方案进行了性能分析及比较。Zou等[11]构建了单用户、多AF中继、单窃听的中继星地通信网络，讨论了在不同信道状态要求下最优中继选择方案和部分最优中继选择方案的性能。Cao等[12]研究了多DF中继的星地协同网络物理层安全性能，假设信道状态完美时采用最佳中继选择方案，求解Shadow-Rician信道衰落下的安全中断概率闭式解，并以此分析系统性能。后续他们又针对窃听者可以同时窃听来自卫星和中继的合法信号的星地协同通信场景，在窃听链路的瞬时信道状态不可用的情况下，通过采用单中继选择和多中继选择方案，推导出中断概率，评估两种中继选择方案对物理层安全性能的影响[13]。Guo等[14]研究了多中继、多用户星地通信的物理层安全问题，同时考虑了多窃听节点间共谋和非共谋的窃听情况，提出了联合机会中继选择和用户调度的方案，以增强系统的安全性能。Bankey等[15]在多窃听节点非共谋窃听和共谋窃听两种不同的窃听场景下，分析了多用户多中继星地通信的物理层安全性能，提出了中继用户联合选择方案来提升其安全性能，并根据AF和DF中继协议分别推导了安全中断概率的近似表达式。Upadhyay等[16]构建了一种由单卫星、多地面用户和多地面中继组成的星地通信网络，以系统的保密中断概率作为系统安全性能评价指标，通过采用最佳用户−中继配对方案，降低了中断概率，改善了系统性能。

2.5 增强的信号处理技术

前面介绍的物理层安全技术都是利用无线信道时变、衰落和互易等物理层特征，即创造合法信道与窃听信道间的差异性，来保证通信数据的安全，每种技术都或多或少的对物理层传输的软硬件结构有一定的需求。也可以从信号生成的过程中进行一定的加密处理来提高通信安全性，这些加密处理可以与传统的物理层安全技术相结合，使整个通信的安全程度进一步提高。

2.5.1 噪声聚合

不同于人工噪声，Xu等[17]首次提出利用信道中原有的噪声恶化窃听者信道质量，即利用噪声聚合原理，通过奇偶异或的安全编码方式，将不同时隙的信道噪声聚合，而合法用户可以利用反馈重传机制保证自身的信息可靠性，提高系统的安全性能。Hussain等[18]将噪声聚合物理层安全技术应用于图像传输中，并采用不同的调制方式，使得合法用户比窃听用户拥有更高的安全性能，窃听用户无法得到完整的图像传输。He等[19]提出基于反馈重传的安全协议，结合反馈重传和数据包编码，不仅可以保证合法用户的传输可靠性，同时系统的安全性也有相应的提高。Liu等[20]对噪声聚合的译码方式进行优化，提出了顺序译码、判断译码和联合译码的选择模式，并结合自适应调制，得到仿真结果。
噪声聚合安全编码方式如图9所示，发送端传输数据帧为$ {{\boldsymbol{S}}_i} \in \left\{ {{{\boldsymbol{S}}_1},{{\boldsymbol{S}}_2},{{\boldsymbol{S}}_3}, \cdots ,{{\boldsymbol{S}}_N}} \right\} $，将其分为奇数帧与偶数帧，奇数帧不需要改变，偶数帧则需要与前一个奇数帧进行异或运算。合作方与窃听方的接收帧和译码帧如图10所示。根据偶数帧与奇数帧之间的耦合关系，偶数帧的正确译码需要依赖正确的奇数帧，因此，合作接收端对奇数帧进行校验，若发生误码，则发射端发起重传请求，保证奇数帧的正确传输。
图 9 噪声聚合编码方案

Fig.9 Noise aggregation coding scheme communications

假设合法接收端的数据帧$ {{\boldsymbol{S}}_{\mathrm{R}}} $错误，同理窃听方的数据帧也出现错误，合作接收端可以通过请求足够数量的重传回合来获得$ {{\boldsymbol{S}}_{\mathrm{R}}} $，然而，这种重传无法给窃听方带来增益。同时，对窃听方而言，当其对收到的数据包进行解码时，奇数帧的噪声将被叠加到下一个偶数帧中，即窃听方译码时将发生差错传递，进一步恶化传输性能。
图 10 合作方与窃听方的接收帧和译码帧

Fig.10 Receiver and decoder frames of the partner and the eavesdropper

上述方式是每两个帧进行一次异或运算编码，赵梓琪等[21]提出了采用多帧聚合的数据处理方式，提出了5种安全编码方案，并对其进行仿真，得出采用最优编码方式时，在相同的场景条件下，相比于传统方式增加了0.8 dB安全增益的结论。

2.5.2 扩频通信

扩频通信是指利用扩展频谱技术，使信号所占的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽，以提高通信系统的抗干扰性。当传输速率一定时，加大信号带宽，可以降低对信噪比的要求。当带宽加大到一定程度，甚至允许信号功率淹没在噪声之下。因此，在一定的发送功率下，扩频信息分布在很宽的频带内，有用的信号功率密度很低，难以捕获。同时，扩频通信使用扩频函数（不可预测的伪随机序列码）调制，使得信号对非授权用户来说几乎无法被解读，具有高保密性的特点。

2.5.3 跳频通信

跳频技术是一种通过伪随机码序列控制载波频率在多个预设频率之间跳变的通信方式。其核心原理是利用伪随机变化码来控制通信中使用的载波频率的随机跳变，从而实现信号的扩频传输。通信收发双方的跳频图案是事先约好的，同步地按照跳频图案进行跳变。这种跳频方式称为常规跳频。随着现代战争中的电子对抗越演越烈，在常规跳频的基础上又提出了自适应跳频。它增加了频率自适应控制和功率自适应控制两方面。在跳频通信中，跳频图案反映了通信双方的信号载波频率的规律，保证了通信方发送频率有规律可循，但又不易被对方所发现。总之，调频技术通过频繁切换使用不同的频率，提高了通信的安全性和抗干扰能力，使得通信更加难以被窃听、干扰和破坏。

2.5.4 猝发通信

猝发通信是将高数据信令与短传输时间等优点相结合的一种通信方式，并且以较短的帧结构在任意时刻进行传输。猝发通信极大地缩短了无线通信信号在外暴露的时间，使得无线通信信号很难被破解，并且在传播过程中受到尽可能少干扰。由于猝发信号具有通信距离远、传输时刻不确定性和持续时间短的特点，从而使得传输的信号具有更进一步的抗截获和抗窃听能力。

2.5.5 隐蔽通信

与传统的旨在保护机密信息内容的加密技术不同，隐蔽通信则是为了保护合法传输行为的存在，使其在敌对监听方中无法被检测到。由于敌对监听方不知道发送方是何时进行传输的，不会尝试解码信号中的内容。因此，敌对监听方会认为他们检测到的“信号”只是环境噪声，而不会浪费资源去获取传输内容[22-23]。
具体的隐蔽通信可以利用信道路径损失和环境噪声，引入混淆误导敌对监听方，使得敌对监听方可能会对发射方是否传输的判决出现错误。此外，小尺度衰落导致的信道系数随机性也会使敌对监听方处的接收信号出现随机变化，使其发生误判[24-26]。

2.5.6 空时编码

空时编码技术是应用到多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO） 系统中的一项重要技术，通过引入时间和空间的相关性来构造码字来实现空间分集，能有效抵消衰落，提高系统可靠性和频谱效率[27]。
空时编码阵[28]通过在各个天线阵元间引入微小的时延量，可以形成全空域覆盖的发射方向图。与传统相控阵的最主要的区别在于空时编码阵在各个发射阵元间引入了时延。由于时延量的引入，使得空时编码阵的发射波束指向具有时间、 角度和距离的三维变化特性，这一特性使得其更难以被窃听方捕获和解译。

2.5.7 星座旋转

利用伪随机符号对每个星座点旋转不同的角度实现相位加密。随机角度作为物理层加密的密码密钥。只有合法的接收者才能获得真实的旋转角度信息，而没有密钥信息的窃听者无论有多少天线，其监听到的信号都会有极高的误码率，只能通过巨大的枚举对信息进行解调，而这在高速无线通信中几乎是不可能实现的，因此星座旋转方案可以实现相当高的安全性能。
信号在生成过程中的加密处理远不止上述介绍的几种方法，例如：异或加密、符号加密、子载波加密等[29]，具体的加密算法与信号的样式有关。与传统的物理层安全技术相比，这些方法并不依赖于信道条件但与计算复杂度相关，并且可以利用信道或噪声的影响提供更强的安全性。在实际情况下，完全可以采取传统方式与信号加密相结合的方式进行安全传输，进一步提高整个系统的保密性。

3 未来研究方向及面临的挑战

对于波束成形技术，目前大部分研究都是围绕优化算法，降低计算复杂度和提高鲁棒性为目标，以及结合新兴技术进行组合使用，例如智能反射面等[30]。但波束成形技术本身受限于多天线系统，带来的问题是要求数据处理速度高，控制成本，并降低功耗。因而，芯片的高集成度、高性能和电源管理高效性是至关重要的。一方面要提高吞吐量，同时又要将功耗降到最低。另一方面还要考虑使用环境的影响。尤其对于星地通信的卫星端，粒子辐射和真空低温会使芯片的工作环境更加恶劣。
对于人工噪声技术，如果是多天线情况，则需要获取信道瞬时状态以计算噪声编码矩阵，这就需要准确的合法信道估计。射频合成的加噪处理则对算法的计算复杂度要求更高，例如本文提到的射频合路自加噪声的方式就需要将传输信号进行扩频处理，这同时对接收方的接收带宽要求提高。
对于协作干扰或者协作中继技术，目前的研究多数着重于以降低保密中断概率为目标，基于信道状态获取情况进行策略选择以及协作点的功率分配。但大部分研究过程中，都没有充分考虑复杂的通信场景，并且忽略了中继节点的不可信情况。场景复杂度的提高以及考虑实际硬件的非理想状态都是后续的研究热点，但同样面临着硬件实现困难的挑战。
信号加密技术会随着算法的迭代更新不断发展，后续势必会有更加安全以及更加复杂的加密方式被提出，但仍然面临着如果窃听方拥有无限的计算能力（量子计算机），加密方式就不再安全的困境。
综上所述，随着科技的进步与发展，物理层安全技术也会与时俱进，会有更多安全高效的算法涌现，理论研究也会越来越完善。但对于星地互联网而言，技术的整体难点应该还是对硬件的要求，以及相比与地面通信更为复杂的动态时变信道导致大部分算法难以实现，多数停留在理论层次，相信这也是该技术应用到卫星通信时面临的最大挑战。

4 结束语

卫星互联网的发展离不开安全通信的建立，物理层安全技术不同于传统密钥保护方式，充分利用了无线信道的随机性，通过适用于安全的信道编码、预编码等相关技术，从信息论角度，提高系统的安全性，势必成为星地通信安全中的重要研究方向。本文对一些传统的物理层安全技术的理论基础和最新研究进行了介绍，并且增加了对信号调制过程中一些加密处理技术的简单概述，最后对技术在未来的发展方向进行了展望并指出将要面临的挑战。

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