无线通信物理层安全技术原理与应用 第1版

物理层安全技术从电磁波传播的机理出发，利用信道特征的差异在信号层面设计与位置强关联的安全传输机制，为解决电磁波传播的开放性带来的“内源性”安全威胁提供了新的技术思路和防护手段。因此，本书聚焦于物理层安全技术，深入剖析了基于信道特征的物理层安全技术的基础理论知识与应用验证情况，重点介绍了物理层安全传输与编码、物理层密钥生成与加密、物理层安全认证及多天线隐蔽通信等关键技术与方法，分析了智能超表面赋能物理层安全的机理与方案，并结合6G的特点对物理层安全技术的发展前景进行了展望和分析。本书可为从事无线通信安全研究的科研人员与工程师提供重要参考。

黄开枝，信息工程大学，教授。移动互联网安全技术国家工程研究中心技术委员会委员，获国家科技进步创新团队奖1项、河南省优秀研究生指导教师等。承担国家及省部级项目多项。曾出版《无线网络：理解和应对互联网环境下网络互连所带来的挑战》《物理层无线安全通信》。

第1章 无线物理层安全概述 1
1.1　引言 1
1.2　香农完美安全 1
1.3　物理层安全研究方向 2
1.3.1 物理层安全传输 2
1.3.2 物理层密钥生成 3
1.3.3 物理层安全编码 5
1.3.4 物理层安全认证 6
1.3.5 物理层隐蔽通信 6
1.4　无线信道特性及经典窃听
信道模型 8
1.4.1 无线信道特性 8
1.4.2 经典窃听信道模型 9
1.5　物理层安全性能评价指标 12
1.5.1 物理层安全传输性能
评价指标 12
1.5.2 物理层密钥生成性能
评价指标 13
1.5.3 物理层安全编码性能
评价指标 14
1.5.4 物理层安全认证性能
评价指标 15
1.5.5 物理层隐蔽通信性能
评价指标 16
1.6　小结 18
第2章 物理层安全传输与编码 19
2.1　引言 19
2.2　物理层安全传输理论和模型 19
2.3　多天线物理层安全预编码和
人工噪声技术 21
2.3.1 系统模型 21
2.3.2 方案设计 22
2.3.3 性能分析 24
2.3.4 仿真验证 28
2.4　非理想条件下的物理层安全
传输技术 30
2.4.1 误差模型 30
2.4.2 方案设计 33
2.4.3 性能分析 35
2.4.4 仿真验证 36
2.5　物理层安全编码理论与典型技术 39
2.5.1 编码模型 39
2.5.2 理论基础 40
2.5.3 典型技术 41
2.5.4 性能分析 49
2.5.5 仿真验证 53
2.6　小结 55
第3章 基于信道指纹的物理层密钥生成与
加密 56
3.1　引言 56
3.2　基于无协商密钥的等效加扰方案 56
3.2.1 信道模型 56
3.2.2 方案设计 57
3.2.3 性能分析 59
3.2.4 仿真验证 65
3.3　基于无协商信道信息的星座图
加密方案 66
3.3.1 系统模型 67
3.3.2 方案设计 69
3.3.3 性能分析 71
3.3.4 仿真验证 74
3.4　小结 75
第4章 基于无线信道指纹的物理层
安全认证 76
4.1　引言 76
4.2　基于无线信道密钥的无条件
认证方案 76
4.2.1 系统模型 77
4.2.2 方案设计 77
4.2.3 性能分析 79
4.3　基于无线信道密钥的通信-
认证一体化设计方案 86
4.3.1 问题分析 87
4.3.2 方案设计 88
4.3.3 性能分析 90
4.3.4 仿真验证 92
4.4　小结 98
第5章 基于无线环境差异的多天线
隐蔽通信 99
5.1　引言 99
5.2　基于公开通信掩体的多天线
隐蔽通信方案 99
5.2.1 系统模型 99
5.2.2 方案设计 100
5.2.3 性能分析 102
5.2.4 仿真验证 113
5.3　基于噪声不确定性的多天线
隐蔽通信方案 114
5.3.1 系统模型 114
5.3.2 方案设计 115
5.3.3 性能分析 116
5.3.4 仿真验证 120
5.4　基于随机跳径的多天线隐蔽
通信方案 121
5.4.1 系统模型 121
5.4.2 方案设计 123
5.4.3 隐蔽性能分析 124
5.4.4 速率性能分析 129
5.4.5 仿真验证 133
5.5　小结 136
第6章 智能超表面赋能物理层安全 137
6.1　引言 137
6.2　RIS的基础原理与安全赋能
机理 137
6.2.1 RIS的基本结构 137
6.2.2 RIS的工作原理 138
6.2.3 RIS赋能物理层安全的
机理分析 138
6.3　RIS赋能的物理层安全传输
方案 139
6.3.1 系统模型 139
6.3.2 方案设计 140
6.3.3 性能分析 140
6.3.4 仿真验证 143
6.4　离散相移RIS辅助的高速物理层
密钥生成方案 145
6.4.1 系统模型 145
6.4.2 方案设计 147
6.4.3 性能分析 148
6.4.4 仿真验证 156
6.5　静态环境下基于RIS天线的通信
安全联合设计方案 158
6.5.1 系统模型 158
6.5.2 方案设计 159
6.5.3 性能分析 163
6.5.4 仿真验证 165
6.6　小结 168
第7章 物理层安全应用浅析及展望 169
7.1　引言 169
7.2　物理层安全试验验证情况 169
7.2.1 5G无线接入网安全通信
系统 169
7.2.2 基于LoRa的物联网安全
通信与控制系统 170
7.2.3 无线自组网安全通信
系统 172
7.2.4 基于RIS的无线安全增强
传输通信系统 174
7.3　物理层安全在6G空口中的应用
展望 177
7.3.1 超高吞吐量通信场景 177
7.3.2 超大规模连接场景 178
7.3.3 极高可靠低时延场景 178
7.3.4 通感一体化场景 178
7.3.5 空天地一体化场景 179
7.4　小结 179
缩略词 180

1.立足前沿，聚焦核心本书立足无线通信安全核心需求，聚焦物理层安全传输、物理层密钥生成、物理层安全编码、物理层安全认证、物理层隐蔽通信等物理层安全核心方向，助力读者掌握前沿技术、把握行业演进脉络，全面提升专业胜任力。2.体系完整，内容翔实本书涵盖物理层安全核心领域，系统讲解物理层安全的理论基础、核心算法设计思路及实际场景验证应用，知识架构全面完整，内容兼具理论深度与工程实用性，可满足不同层次读者的学习与应用需求。3.理实交融，案例丰富本书融合国内外学术界前沿研究进展，依托5G通信、物联网、无线自组网等领域丰富的应用案例，实现理论与实践深度融合、全面覆盖。4.通俗易懂，适用广泛本书兼具学术参考与实践指导价值，适用广泛，参考价值突出，可为从事无线通信安全研究的科研人员与工程师提供系统性的参考与指引。

1.立足前沿，聚焦核心本书立足无线通信安全核心需求，聚焦物理层安全传输、物理层密钥生成、物理层安全编码、物理层安全认证、物理层隐蔽通信等物理层安全核心方向，助力读者掌握前沿技术、把握行业演进脉络，全面提升专业胜任力。2.体系完整，内容翔实本书涵盖物理层安全核心领域，系统讲解物理层安全的理论基础、核心算法设计思路及实际场景验证应用，知识架构全面完整，内容兼具理论深度与工程实用性，可满足不同层次读者的学习与应用需求。3.理实交融，案例丰富本书融合国内外学术界前沿研究进展，依托5G通信、物联网、无线自组网等领域丰富的应用案例，实现理论与实践深度融合、全面覆盖。4.通俗易懂，适用广泛本书兼具学术参考与实践指导价值，适用广泛，参考价值突出，可为从事无线通信安全研究的科研人员与工程师提供系统性的参考与指引。