隨著移動通信技術的快速發展，無線網絡得到更為廣泛的普及。然而，無線信道的開放性、網絡的多樣性和複雜性，使得無線通信系統更容易受到其他用戶的安全攻擊。
在無線通信系統中，其性能指標主要體現在有效性、可靠性、保密性等幾個方面。當然，隨著人們在近幾十年中對通信領域不斷進行研究，無線通信系統在有效性以及可靠性方面有了質的提高。在有效性方面，全球移動通信系統(Global System for Mobile Communications，GSM)所支持的數據傳輸速率僅為9.6Kbit/s，而LTE-A(Long Term Evolution Advanced)的下行峰值速率將高達1Gbit/s。類似地，無線通信系統的可靠性也有了很大程度的提升。然而，隨著移動通信的迅速普及和業務類型的多樣化，特別是很多金融業務開始在智能終端中進行，無線網絡中的通信安全變得越來越重要。
由於無線網絡的開放性，無線通信網絡很容易受到多種安全問題的困擾。首先，無線信道很容易受到幹擾攻擊，惡意攻擊者可以通過在系統的工作頻段發送純噪聲信號，降低接收信號的質量，影響無線通信系統的正常工作；其次，竊聽者可以利用無線信道的廣播特性，非常容易接收到目標信號；最後，攻擊者可以利用無線網絡的開放特性，非法接入目標網絡，獲取網絡中的重要數據信息並實施攻擊。
目前，GSM、3G 等蜂窩系統中的安全主要是基於傳統的加密解密體系，在上層協議中保證系統的安全。相比於傳統的有線傳輸的安全問題，無線通信系統更容易受到安全攻擊。對於傳統的加密解密方式，終端計算能力的增強以及無線網絡中密鑰分配，使傳統的基於協議的加密方式變得容易被破解。無線通信信道的開放性造成無線信道非常容易受到竊聽者的監聽，無線網絡的多樣性和複雜性使得密鑰分配問題凸顯，終端計算能力的增強同樣使得傳統的安全體系變得容易被破解。
基於信息安全理論的物理層安全技術成為重要的解決方案之一。
目前物理層安全技術中，保證系統安全性能的主要技術方案大致分為兩類：一類是利用編碼的方式，對傳統的信道糾錯編碼進行修改，使其同時兼具糾錯能力與保密能力；另一類是預編碼技術，在保證合法信道正常接收的同時，降低竊聽信道的質量，提升系統的安全速率。
安全信道編碼的主要思想是充分地利用無線信道的非完美特點(噪聲、衰落以及幹擾)，設計適合安全通信的信道編碼，不僅能夠為合法信道進行糾錯，而且能夠保證信息安全，阻止竊聽者接收到有效信息。安全信道編碼的兩個關鍵特點是嵌套式的編碼結構和多個碼字之間的隨機特性。
物理層安全技術不依賴設備的計算能力，充分利用無線信道的隨機性，通過利用信道狀態信息(Channel State Information，CSI)，合理地設計信道編碼或預編碼，從資訊理論的角度，提高系統的安全性。
近年來，多天線技術得到人們越來越多的關注，它通過在發送端和接收端配備多個天線，實現空間復用和發送-接收分集。
無線信號傳輸具有多徑傳播的特性，多天線技術可以利用其空間復用增益使信道容量得以提升，而無須額外的功率和頻譜開銷。也可利用空間分集增益來對抗信道衰落，達到降低誤碼率，提高通信速率的效果。多天線技術因其具有分集和復用的效果而得到廣泛應用，為物理層安全技術的發展提供了新的自由度。Hero 將單天線的物理層安全理論擴展到了多天線系統，並說明了在多天線系統下，安全速率大於單天線系統。多天線系統下的物理層安全研究還有很大的研究空間。在幹擾信道、中繼信道等場景下，存在竊聽者時，如何利用多天線的優勢去最大化安全速率，一直驅使著學術界不斷地探索。目前，凸優化方法已經深入物理層安全的研究當中。本書也將會利用該方法，通過研究和設計波束成形向量等方法，來解決物理層安全的問題。
值得注意的是，隨著行動裝置數目的日益增長，無線通信系統的能量需求也受到了學術界和產業界的廣泛關注，能量收集(Energy Harvesting，EH)被認為是一項非常具有研究價值的技術。
在EH 中，射頻信號(Radio Frequency，RF)可以為能量收集設備提供能量。同時攜帶信息和能量的RF 方案稱為無線信息能量同時傳輸(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，SWIPT)。正如我們所知，在實際應用中，幹擾場景的應用非常廣泛，現階段的4G 異構網絡，可以簡化為幹擾信道。從物理層安全的角度保證SWIPT 的安全通信也是近幾年的熱點關注問題。據我們所知，針對幹擾網絡中能量收集器(Energy Receivers，ER)的竊聽風險場景仍未有人涉及，並且前面提到的工作也都無法直接拓展到該場景中這也激勵了我們去深入研究這個場景。
在這樣的背景下，本書作者在大量的研究與長時間的成果積累後，撰寫了《5G 中的物理層安全關鍵技術》（呂鐵軍，粟欣著. 北京：科學出版社，2020.12）。
本書系統介紹物理層安全的相關技術，並對我們的新成果進行總結和介紹，在對物理層基本技術，如無線攜能、協作網絡等做了詳述，具體安排如下。
第1 章為緒論。第2 章，我們介紹關於無線攜能傳輸、MIMO 系統中的物理層安全以及協作網絡的基本概念。第3 章闡述作者的研究，提出一些多天線系統中安全技術方案。第4 章提出不同網絡中的波束成形和功率分配方法，介紹物理層安全中的預編碼方法。第5 章介紹物理層中BF-AN 設計以及結合安全的能量收集方法。第6 章介紹AWGN 信道下的供給檢測。第7 章介紹Byzantine 攻擊檢測，並分析系統的性能。第8 章介紹異構網絡中的波束成形技術。第9 章介紹多播網絡中的波束成形技術，並分析得出系統的能量效率以及性能。第10 章介紹異構網絡中無線安全信息和能量傳輸，並分析系統的性能。
本文摘編自《5G 中的物理層安全關鍵技術》（呂鐵軍，粟欣著. 北京：科學出版社，2020.12）一書「前言」「第1 章 緒 論」，有刪減修改，標題為編者所加。
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（已出版6種）
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5G車聯網技術及應用
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本書從5G車聯網的特徵與需求出發，循序漸進、全面系統地闡述5G車聯網的關鍵技術和重要應用。本書第1章介紹車聯網的發展以及5G車聯網的特徵與需求。第2章分析5G核心通信技術下車聯網通信信道的特徵和建模方法，並給出多種5G車聯網系統信道模型。在5G車聯網通信信道建模的基礎上，第3章和第4章分別詳細論述適用於5G車聯網通信系統的物理層關鍵技術和MAC層方案設計。第5章重點介紹5G車聯網的多個應用方向，包括無人機輔助數據分發、多車協同定位、無人車協作感知、分布式數據存儲和物理層安全研究等。第6章進行總結與展望。
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隨著移動通信技術的快速發展以及智能終端的迅速普及，網絡數據量呈指數增長，這對無線頻譜效率提出了更高要求。同時同頻全雙工技術應運而生，有望獲得比傳統半雙工技術高出將近一倍的頻譜效率。本書重點介紹了全雙工系統的核心技術，即自幹擾消除，總結了國內外最新研究成果，闡述了主動與被動自幹擾消除方法及其特點，並在此基礎上介紹了全雙工MAC協議的設計與優化。最後，探討和分析了無線全雙工技術的主要應用領域，並對未來重點研究方向進行了展望。
05
5G 中的物理層安全關鍵技術
ISBN 978-7-03-062978-4
呂鐵軍，粟欣著
北京：科學出版社，2020.12
本書首先介紹物理層安全中關鍵的技術，然後對新型場景下物理層安全關鍵技術的應用與算法設計進行深入詳盡的分析與研究。第1 章主要介紹物理層的研究背景和研究現狀。第2～5 章給出多天線系統中物理層安全的基本概念，提出不同的安全技術方案，以及波束成形和功率分配方法。第6～10 章介紹多播網絡中的安全波束成形技術，分析無線安全信息和能量傳輸的能量效率以及性能。
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朱義君，張豔語著
北京：科學出版社，2020.12
本書對可見光通信的最新研究成果進行認真梳理，從基礎理論和傳輸技術角度對可見光通信系統中的高效傳輸問題進行詳細分析，系統介紹可見光通信系統的高效傳輸理論，分別對不同場景的高效傳輸方案進行論述。作為可見光通信高效傳輸理論及技術的應用，最後介紹典型的陣列可見光通信實驗系統。
（本文編輯：劉四旦）
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