基于定向調制的密碼安全無線電

1、 基于定向調制的密碼安全無線電摘要定向調制(DM)可以被視為一個新的前沿物理層通信安全。這個新的技術使用天線陣列作為一個空間加密系統(tǒng)。這個系統(tǒng)分區(qū)周圍空間的地區(qū)完全地智能或用故意混淆來傳播。不過,能量和頻譜效率的當前定向調制系統(tǒng)以及它們的加密健壯性落后于現(xiàn)代密碼學和無線電通信的性能標準。這貢獻提出了一種泛化的定向調制概念,克服了最初的公式的局限性,使其兼容現(xiàn)有的數字調節(jié)和密碼安全。數值分析以及現(xiàn)實,實現(xiàn)高碼率結果的提出支持了該方法。索引詞物理層加密,正交頻分多路復用技術。1.介紹 通信的安全一直是一個熱門話題，從無線電科學的早期以來就涉及民事和軍事應用。最近幾年利用傳播媒體的物理性質作為一種有

2、效的方式提供信息安全使物理層加密獲得關注。在這樣的背景下,最近的研究(見1 - 4)已經證明天線陣列可以作為一個“空間濾波器”能夠加密通信,使信號明顯只有在一定區(qū)域內的空間。因此,傳播在剩余空間的一部分，在這部分可能出現(xiàn)的竊聽者的地方必須考慮自動中斷。這非常有吸引力的技術通常在文獻中被稱為定向調制(DM)(1、3、4),在提供信息保密的所有通信場景擁有巨大的潛力。這個場景是一個或多個下面的應用:(i)標準加密密鑰可能被破壞,(ii)密鑰分發(fā)困難或沒有可用分配關鍵基礎設施,和(iii)有限設備。作者要感謝意大利國防部部長Generale della Difesa,為聯(lián)合資助LICOLA項目，這個

3、項目致使結果描述在這個工作中。此外,作者也謝謝Marco Luise教授, Agostino Monorchio教授(比薩大學)和他們的員工在每個階段為提供這個項目的寶貴支持。 (a) (b) (c) (d) 圖1所示。星座在待區(qū)內接收。從明了區(qū)域傳統(tǒng)DM與一般DM方法在兩個角度(方位角、仰角)相對。計算能力抑制傳統(tǒng)加密方法的應用。在這種情況下,沒有DM,剩下的是選擇傳輸未受保護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),DM將允許安全通信。同時,定向調制的應用不是將現(xiàn)有的與傳統(tǒng)密碼學技術結合,因此可以單獨使用這種系統(tǒng),以防這是只可取于特定場景。文獻中提出的解決方案是基于

4、使用:(i)切換寄生元素2,(ii)交換數組(1、5),(3)相控陣(3、6),和(iv)雙光束4技術。然而,上述方法不能提供一個足夠安全的傳輸,因為決定區(qū)域很明顯仍在收到星座圖,即使在不受歡迎的區(qū)域(見圖1和討論在宗派2.2)。所有這些技術的應用到現(xiàn)代,帶寬效率和高度誤差保護傳輸標準(例如歐洲電信標準協(xié)會、ETSI、陸地數字視頻廣播,數字地面廣播電視7,或其他正交頻分多路復用系統(tǒng))可以變得非常復雜。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:它降低局限性,同時簡化實現(xiàn)。2.廣義的DM方法2.1.相控陣列對空間加密圖2 DM 發(fā)射機提出了一種圖形表示,根據廣義的方法。圖片區(qū)

5、別兩個主要階段:(1)傳統(tǒng)的發(fā)射機(基帶單元和射頻部分)產生的信號選擇廣播標準,我們稱之為調制底部,(ii)相控天線陣實現(xiàn)空間加密系統(tǒng)通過應用合適的動態(tài)相移控制策略根據計劃階段。這種效應是彩色曲線在圖3所示,每個標識的振幅和相位響應一個相位當應用于線性陣列的不同維度。所有可能的相集之間的切換,根據給定的相位控制策略,應用相乘變形過程D(t)基本調制信號 s(t)。T llD(t, ) =lAl, eil,rectt lT(1)=0A(l,)和(l,)的振幅和相位響應分別為11屆設定在角和Tl在使用的時間是。 通過觀察反應在圖3中,可以確定的兩個區(qū)域:(i),在一定角度間隔的錨點,信號的影響上變

6、形可以忽略不計,叫做理解區(qū),和(2)剩余的空間,在那里,根據控制策略選擇階段,乘法失真可以任意地嚴重。后者稱為待區(qū)。通過比較不同的情節(jié)在圖3中,很明顯更大的數組維度如何更好的結果圖2所示。DM發(fā)射機,根據廣義的作法。 (a)4x1 (b)8x1 (c)16x1圖3所示。相控陣(各向同性的輻射元素)在0響應相位高程的函數。 待幾何控制的和可理解的區(qū)域。傳輸信號的頻譜占用幾乎不變在理解區(qū)內,所產生的頻域卷積s(t)和D(t),可以非常穩(wěn)定(通過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典型的天線陣列作為無線電空間加密裝置,同

7、時部分放棄其經典函數作為一個定向天線。仍然,盡管一個重要退下(通常是3到4 dB 4數組元素和六位元數字相移)的最大可實現(xiàn)的天線增益需要為了實現(xiàn)通過廣義DM方法,一個絕對有用的相控陣的指向性獲得但是可以保留。 對典型的DM系統(tǒng),使用獨立天線陣的空間加密傳輸信號允許解耦與天線信號生成管理的復雜性,從而使空間天線為更復雜的處理階段。反過來,這種有利理想資產實現(xiàn)更好的控制空間和一個更健壯的安全信息。此外,基帶之間的異步調制和相控陣,這成為一個可行的選項如果采用建議的方法,允許應用DM安全屬性主要是所有當前技術發(fā)展水平第吉爾調節(jié)(如編碼OFDM、擴頻、經典脈沖形狀信號)。事實上,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制。顯然,為了達到良好的溝通和安全性能,結構特點選擇廣播標準仍然必須考慮在設計整個階段控制策略在天線階段。事實上,一個好的相位控制策略解決了關鍵的權衡了所有相關的目標:用密碼寫的安全、信號完整性理解區(qū)域,禁止區(qū)和系統(tǒng)整體復雜光譜展寬。方向性鏟背和數組維度提供其自由度通過數值模擬來解決這個問題。經典的反對DM-based系統(tǒng)是太空安全也可以很容易地實施通過限制功率輻射只通過傳統(tǒng)的波束形成技術所需的提出今后。仍然,這種觀點忽略了以下三個突出的事實:(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,對于一個對手瞄準他的天線系

9、統(tǒng)的一個側葉,訪問完整的傳播。(2)考慮到相同數量的數組元素,通過適當的相位控制策略,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生的不希望的方向需要人造的噪聲注入8,付出的代價增加系統(tǒng)的復雜性和減少功率效率。2.2。密碼安全記錄教派的預期。1,當前技術發(fā)展水平DM系統(tǒng)內產生一個相對較小的信號退化明了的區(qū),以及主要的星座在待區(qū)內轉換和扭曲。不過,正如圖1中可見。& 1。c,獲得的星座維護一個非常重要的濃度然而扭曲和改變符號區(qū)待整個區(qū)域。換句話說,不同實例的星座符號一樣注重獲得同一地區(qū)的星座圖,雖然轉換和重新安置等領域關于標準的決策區(qū)域。這樣

10、的信號,盡管已經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,而平原和簡單通信情報(信號情報)方法。實際上,同步恢復后的標準方式通常采用傳統(tǒng)的脈沖整形調節(jié),得到扭曲的星座映射可以尋找地區(qū)符號實例集中發(fā)生。這將導致新德的定義DM Approach(Az,El) From Intelligible ZoneSEMClassic(45, 30)0Classic(45, 60)0Generalized(45, 60)0.96Generalized(45, 30)0.55區(qū)域對應于原始的不失真。隨后,每個新定義的區(qū)域映射到原始的一個任務,可以進行據幾位,而著名的攻

11、擊策略。例如,一個非常簡單的蠻力攻擊使用的統(tǒng)計復發(fā)甚至未知位幀定位前言作為其退出條件就夠了。其他出口為對象可以包括識別已知的飛行員符號或序列以及可能的已知明文的段。 顯然,收到的星座圖,所有實體每個符號的均勻分散在復平面(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,因為在這種情況下,唯一決定區(qū)聯(lián)合每個符號,基于濃度的措施,將整個復平面(或其上述sub-part)和含糊其辭符號將會最大化(見圖1. b)。為了提供一個定量測量的效力DM技術近似這種理想情況待收到信號內區(qū),一個描述性的參數,稱為符號含糊其辭規(guī)(SEM),定義。SEM = 0時區(qū)域相對于每個星座符號是完全分離的,別

12、宗派,它等于1而不是理想時,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,Ns是傳播的數量獨立均勻分布的眺望符號,ci是每收到發(fā)生的第i個星座符號,和子區(qū)域的復平面(在接收端)與ci(見圖1)。圖1顯示了典型的待區(qū)性能的經典DM技術以及廣義方法接收時,在兩個不同的角度理解區(qū),一個標準的4-QAM傳播通過一系列2 x2的星座。SEM值這兩種技術,角度提供選項卡。1。一起支持高容量、高錯誤pro-tected現(xiàn)代無線電調制棧,DM的廣義方法的一個主要目標確實是在共同實現(xiàn)用密碼寫的健壯性設計天線的基本調制和空間加密階段。

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

14、當在偽隨機模式下操作,接收器提供變形過程的知識,獲得適當的同步后,可以使用這些知識在本地生成D(t)和刪除它從接收到的信號。上面提到的三個基本參數實際上構成三重三個soft-valued獨立項目的關鍵了,如果決定通過一個合適的合作設計的D(t)和s(t)可以使蠻力攻擊到目前為止不切實際。當圖5所示。收到了星座圖SEM = 0.55(相同的數據在圖1,但沒有顏色代碼)。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頻系統(tǒng),是產生的統(tǒng)計特性D(t)。3所示。實現(xiàn)結果為了驗證密碼草案的系統(tǒng)的魯棒性,數值模擬

15、運行,探討了空間分布(待在和intelli-gible區(qū))掃描電鏡的參數。數據呈現(xiàn)在圖4中提供了一個合成的結果用SEM幾個方位角度參數的值。通過使用例如161線性數組(見圖4),sym-bol含糊其辭= 0 10寬內理解區(qū)集中在0,對稱生長從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))。為了評估SEM參數的物理意義,現(xiàn)在值得考慮圖5也包含收到星座點,圖1所示。d,唯一的區(qū)別是,真實的先驗信息傳播符號(在圖1。d通過使用不同的顏色)移除。尤其是圖5顯示,已經與SEM值為

16、0.55(沒有顏色在圖1. d)提供先驗信息,相當于決定的identifi-cation區(qū)域對應于原始不失真的(詳細的教派。2.2)變得不可能。正確后獲得了足夠的信心通過數值分析,一個真實的,功能齊全,DM-enabled優(yōu)質的發(fā)射機是由使用9作為實時實現(xiàn)軟件無線電提供基地modula-tion信號s(t)。所示的非常簡單的41天線陣,圖7所示。被測信號參數作為待收到理解區(qū)(上圖)和區(qū)域(下圖)。在圖6中及其控制電子產品,而不是用于DM-enabled信號輻射到周圍的空間。傳輸模式為2048副載波,1/4保護間隔,16-QAM cho-sen星座和2/3的編碼速率。有用的比特率測試期間被設定為11.612 Mbps。采用更多的保護模式的原因關于家庭典型的優(yōu)質的傳輸是由需要測試安全性能即使在現(xiàn)代的存在,OFDM-based標準防通道扭曲。測試不同phase-set ensem-bles理解區(qū)設定在9090之間不同的角度。接收到的信號探測周圍整個空間通過一個測試接收機提供星座圖以及誤碼率措施在不同的點沿著解調鏈。解調是quasi-er