基于定向调制的密码安全无线电

1、 基于定向调制的密码安全无线电摘要定向调制(DM)可以被视为一个新的前沿物理层通信安全。这个新的技术使用天线阵列作为一个空间加密系统。这个系统分区周围空间的地区完全地智能或用故意混淆来传播。不过,能量和频谱效率的当前定向调制系统以及它们的加密健壮性落后于现代密码学和无线电通信的性能标准。这贡献提出了一种泛化的定向调制概念,克服了最初的公式的局限性,使其兼容现有的数字调节和密码安全。数值分析以及现实,实现高码率结果的提出支持了该方法。索引词物理层加密,正交频分多路复用技术。1.介绍 通信的安全一直是一个热门话题，从无线电科学的早期以来就涉及民事和军事应用。最近几年利用传播媒体的物理性质作为一种有

2、效的方式提供信息安全使物理层加密获得关注。在这样的背景下,最近的研究(见1 - 4)已经证明天线阵列可以作为一个“空间滤波器”能够加密通信,使信号明显只有在一定区域内的空间。因此,传播在剩余空间的一部分，在这部分可能出现的窃听者的地方必须考虑自动中断。这非常有吸引力的技术通常在文献中被称为定向调制(DM)(1、3、4),在提供信息保密的所有通信场景拥有巨大的潜力。这个场景是一个或多个下面的应用:(i)标准加密密钥可能被破坏,(ii)密钥分发困难或没有可用分配关键基础设施,和(iii)有限设备。作者要感谢意大利国防部部长Generale della Difesa,为联合资助LICOLA项目，这个

3、项目致使结果描述在这个工作中。此外,作者也谢谢Marco Luise教授, Agostino Monorchio教授(比萨大学)和他们的员工在每个阶段为提供这个项目的宝贵支持。 (a) (b) (c) (d) 图1所示。星座在待区内接收。从明了区域传统DM与一般DM方法在两个角度(方位角、仰角)相对。计算能力抑制传统加密方法的应用。在这种情况下,没有DM,剩下的是选择传输未受保护的信息或完全放弃传输。提供已知的合法的位置目的地(将被自由窃听),DM将允许安全通信。同时,定向调制的应用不是将现有的与传统密码学技术结合,因此可以单独使用这种系统,以防这是只可取于特定场景。文献中提出的解决方案是基于

4、使用:(i)切换寄生元素2,(ii)交换数组(1、5),(3)相控阵(3、6),和(iv)双光束4技术。然而,上述方法不能提供一个足够安全的传输,因为决定区域很明显仍在收到星座图,即使在不受欢迎的区域(见图1和讨论在宗派2.2)。所有这些技术的应用到现代,带宽效率和高度误差保护传输标准(例如欧洲电信标准协会、ETSI、陆地数字视频广播,数字地面广播电视7,或其他正交频分多路复用系统)可以变得非常复杂。我们的分析修正DM的概念,提出一种普遍的方法,具有两方面的优势:它降低局限性,同时简化实现。2.广义的DM方法2.1.相控阵列对空间加密图2 DM 发射机提出了一种图形表示,根据广义的方法。图片区

5、别两个主要阶段:(1)传统的发射机(基带单元和射频部分)产生的信号选择广播标准,我们称之为调制底部,(ii)相控天线阵实现空间加密系统通过应用合适的动态相移控制策略根据计划阶段。这种效应是彩色曲线在图3所示,每个标识的振幅和相位响应一个相位当应用于线性阵列的不同维度。所有可能的相集之间的切换,根据给定的相位控制策略,应用相乘变形过程D(t)基本调制信号 s(t)。T llD(t, ) =lAl, eil,rectt lT(1)=0A(l,)和(l,)的振幅和相位响应分别为11届设定在角和Tl在使用的时间是。 通过观察反应在图3中,可以确定的两个区域:(i),在一定角度间隔的锚点,信号的影响上变

6、形可以忽略不计,叫做理解区,和(2)剩余的空间,在那里,根据控制策略选择阶段,乘法失真可以任意地严重。后者称为待区。通过比较不同的情节在图3中,很明显更大的数组维度如何更好的结果图2所示。DM发射机,根据广义的作法。 (a)4x1 (b)8x1 (c)16x1图3所示。相控阵(各向同性的辐射元素)在0响应相位高程的函数。 待几何控制的和可理解的区域。传输信号的频谱占用几乎不变在理解区内,所产生的频域卷积s(t)和D(t),可以非常稳定(通过合适的相位控制策略,最坏情况待光谱展宽 5%)甚至在区,同时仍然保留大量的安全性能。 这种方法的主要原理是由使用一个典型的天线阵列作为无线电空间加密装置,同

7、时部分放弃其经典函数作为一个定向天线。仍然,尽管一个重要退下(通常是3到4 dB 4数组元素和六位元数字相移)的最大可实现的天线增益需要为了实现通过广义DM方法,一个绝对有用的相控阵的指向性获得但是可以保留。 对典型的DM系统,使用独立天线阵的空间加密传输信号允许解耦与天线信号生成管理的复杂性,从而使空间天线为更复杂的处理阶段。反过来,这种有利理想资产实现更好的控制空间和一个更健壮的安全信息。此外,基带之间的异步调制和相控阵,这成为一个可行的选项如果采用建议的方法,允许应用DM安全属性主要是所有当前技术发展水平第吉尔调节(如编码OFDM、扩频、经典脉冲形状信号)。事实上,广义的方法命名它所提供

8、的自由和灵活性在选择基本调制。显然,为了达到良好的沟通和安全性能,结构特点选择广播标准仍然必须考虑在设计整个阶段控制策略在天线阶段。事实上,一个好的相位控制策略解决了关键的权衡了所有相关的目标:用密码写的安全、信号完整性理解区域,禁止区和系统整体复杂光谱展宽。方向性铲背和数组维度提供其自由度通过数值模拟来解决这个问题。经典的反对DM-based系统是太空安全也可以很容易地实施通过限制功率辐射只通过传统的波束形成技术所需的提出今后。仍然,这种观点忽略了以下三个突出的事实:(i)如果我们甚至想象限制辐射有很好的指令天线(有旁瓣水平,-30分贝),30 dB指向性就足够了,对于一个对手瞄准他的天线系

9、统的一个侧叶,访问完整的传播。(2)考虑到相同数量的数组元素,通过适当的相位控制策略,理解区域可以比等效的-10分贝束窄典型的相控阵。(3)如果采用常规波束形成,避免信息泄漏控制辐射产生的不希望的方向需要人造的噪声注入8,付出的代价增加系统的复杂性和减少功率效率。2.2。密码安全记录教派的预期。1,当前技术发展水平DM系统内产生一个相对较小的信号退化明了的区,以及主要的星座在待区内转换和扭曲。不过,正如图1中可见。& 1。c,获得的星座维护一个非常重要的浓度然而扭曲和改变符号区待整个区域。换句话说,不同实例的星座符号一样注重获得同一地区的星座图,虽然转换和重新安置等领域关于标准的决策区域。这样

10、的信号,尽管已经收到了正确的待的核心地带,仍然含有大量的信息传输明文,重建的范围传播消息甚至触手可及,而平原和简单通信情报(信号情报)方法。实际上,同步恢复后的标准方式通常采用传统的脉冲整形调节,得到扭曲的星座映射可以寻找地区符号实例集中发生。这将导致新德的定义DM Approach(Az,El) From Intelligible ZoneSEMClassic(45, 30)0Classic(45, 60)0Generalized(45, 60)0.96Generalized(45, 30)0.55区域对应于原始的不失真。随后,每个新定义的区域映射到原始的一个任务,可以进行据几位,而著名的攻

11、击策略。例如,一个非常简单的蛮力攻击使用的统计复发甚至未知位帧定位前言作为其退出条件就够了。其他出口为对象可以包括识别已知的飞行员符号或序列以及可能的已知明文的段。 显然,收到的星座图,所有实体每个符号的均匀分散在复平面(或在某一给定的一部分)将是理想的条件,以防止这些攻击。这是真的,因为在这种情况下,唯一决定区联合每个符号,基于浓度的措施,将整个复平面(或其上述sub-part)和含糊其辞符号将会最大化(见图1. b)。为了提供一个定量测量的效力DM技术近似这种理想情况待收到信号内区,一个描述性的参数,称为符号含糊其辞规(SEM),定义。SEM = 0时区域相对于每个星座符号是完全分离的,别

12、宗派,它等于1而不是理想时,完整的模棱两可的情况。这是定义如下:M 1j=i carcj cj ZiSEM =i=0(2)(M 1)NsM是用星座的基数,Ns是传播的数量独立均匀分布的眺望符号,ci是每收到发生的第i个星座符号,和子区域的复平面(在接收端)与ci(见图1)。图1显示了典型的待区性能的经典DM技术以及广义方法接收时,在两个不同的角度理解区,一个标准的4-QAM传播通过一系列2 x2的星座。SEM值这两种技术,角度提供选项卡。1。一起支持高容量、高错误pro-tected现代无线电调制栈,DM的广义方法的一个主要目标确实是在共同实现用密码写的健壮性设计天线的基本调制和空间加密阶段。

13、事实上,使用标准基于hw相移相控天线阵图4所示。SEM值与方位对于一些线性阵列。使用广义DM方法获得数据和QPSK星座。小块提供一个洞察刘尧星座方面几个重要的SEM的水平。和接受一个小方向性退下,如教派。2.1所述,提供几个自由度。减少信号失真的信号是为了接收待在抵制SIGINT攻击区域目标这样的自由度是花。Eq。(1)、知识乘法变形过程的D(t)相当于以下三个项目:知识(i)王的所有可用的相位系数集,(ii)王使用的顺序等集,(3)tl使用时间为每个集合,所有可以管理一个真正随机或伪随机模式。适合无密钥前,仅仅基于太空的加密系统,后者能够支持两种无密钥,而不是基于空间待和键控操作区。事实上,

14、当在伪随机模式下操作,接收器提供变形过程的知识,获得适当的同步后,可以使用这些知识在本地生成D(t)和删除它从接收到的信号。上面提到的三个基本参数实际上构成三重三个soft-valued独立项目的关键了,如果决定通过一个合适的合作设计的D(t)和s(t)可以使蛮力攻击到目前为止不切实际。当图5所示。收到了星座图SEM = 0.55(相同的数据在图1,但没有颜色代码)。图6所示。DM-based相控阵的原型。辐射ele-ment存根(上图),控制电子(下图)。这种情况下,蛮力攻击的脆弱性是那样低将直接序列扩频系统,是产生的统计特性D(t)。3所示。实现结果为了验证密码草案的系统的鲁棒性,数值模拟

15、运行,探讨了空间分布(待在和intelli-gible区)扫描电镜的参数。数据呈现在图4中提供了一个合成的结果用SEM几个方位角度参数的值。通过使用例如161线性数组(见图4),sym-bol含糊其辞= 0 10宽内理解区集中在0,对称生长从0到1之间的2.510(15宽角间隔)和总是等于1。其他线性阵列featur-ing较小数量的元素表现出不同的行为,虽然减少了空间分辨率(即粗控制待在定义的边界和明了的区)。为了评估SEM参数的物理意义,现在值得考虑图5也包含收到星座点,图1所示。d,唯一的区别是,真实的先验信息传播符号(在图1。d通过使用不同的颜色)移除。尤其是图5显示,已经与SEM值为

16、0.55(没有颜色在图1. d)提供先验信息,相当于决定的identifi-cation区域对应于原始不失真的(详细的教派。2.2)变得不可能。正确后获得了足够的信心通过数值分析,一个真实的,功能齐全,DM-enabled优质的发射机是由使用9作为实时实现软件无线电提供基地modula-tion信号s(t)。所示的非常简单的41天线阵,图7所示。被测信号参数作为待收到理解区(上图)和区域(下图)。在图6中及其控制电子产品,而不是用于DM-enabled信号辐射到周围的空间。传输模式为2048副载波,1/4保护间隔,16-QAM cho-sen星座和2/3的编码速率。有用的比特率测试期间被设定为11.612 Mbps。采用更多的保护模式的原因关于家庭典型的优质的传输是由需要测试安全性能即使在现代的存在,OFDM-based标准防通道扭曲。测试不同phase-set ensem-bles理解区设定在9090之间不同的角度。接收到的信号探测周围整个空间通过一个测试接收机提供星座图以及误码率措施在不同的点沿着解调链。解调是quasi-er