2024无线内生安全技术2.0蓝皮书-第四届网络空间内生安全学术大会_67页_61mb

无线内生安全技术2.0总结

核心内容概述

无线内生安全技术2.0是基于无线通信环境的“各点异性”属性，通过重构无线信道实现高自由度的通信安全架构，从而提升通信系统的可靠性与安全性。该技术融合了传统无线通信安全与内生安全理论，旨在实现对未知威胁的主动防御，并成为未来无线通信安全发展的趋势。

主要观点

• 无线通信的脆弱性：无线通信依赖电磁波传播，导致信号易被截获、干扰和窃听，传统的安全机制（如加密算法）难以根本解决信号辐射泄露带来的问题。
• 内生安全理论：通过构建具有“动态、异构、冗余”特性的内生安全架构，使系统具备“测不准”效应，从而实现对未知攻击的抵御。
• 无线内生安全属性：即“各点异性”，利用无线信道在不同位置上的差异性，为安全通信提供天然的差异化保障。
• 自由度与安全：无线内生安全的核心在于提升系统的自由度，包括时域、频域、空域等，通过高自由度实现对干扰和衰落的抑制。
• 信息超材料的作用：信息超材料通过重构无线环境，提升系统的空域自由度和信道控制能力，从而增强安全性和抗干扰能力。
• 无线内生安全的实现：包括抗截获、认证、隐蔽通信、抗干扰、抗衰落等多个方面，通过RIS等新技术实现安全与通信的融合。

关键信息

一、无线内生安全概述

• 无线内生安全需求：随着无线通信的演进，安全问题逐渐成为通信发展的核心挑战。
• 无线内生安全研究现状：
  • 信息安全：包括物理层密钥生成、安全传输等，利用无线信道的随机性和唯一性实现“一次一密”加密。
  • 功能安全：包括隐蔽通信、抗干扰、抗衰落等，利用无线信道的空域差异性提升系统抗干扰和抗衰落能力。

二、无线内生安全基础理论

• 信息论视角下的内生安全：
  • 内生安全与完美保密存在相似性，攻击者无法从历史攻击结果推导出下一次攻击结果。
  • 定义了“完美安全”的数学表达式：$\Pr(\text{下一次攻击结果} \mid \text{历史攻击结果}) = \Pr(\text{下一次攻击结果})$。
• 内生安全属性：结构差异性，即合法方与攻击方之间由自然结构或人工构造带来的差异。
• 无线内生安全属性：各点异性，即不同位置的无线信道具有不同的特征，为安全通信提供天然差异性保障。
• 实现完美安全的自由度条件：合法方自由度应大于攻击方自由度，从而实现“测不准”效应。

三、无线内生安全新技术

• 信息安全：
  • 抗截获：通过信息超材料辅助的密钥生成和安全传输技术，实现高密钥生成速率和高安全性。
    • 密钥生成：通过随机相移或优化相移提升信道熵，生成高质量密钥。
    • 安全传输：利用RIS的反射特性，实现信号的定向传输和干扰抑制，提升通信隐私性。
• 功能安全：
  • 隐蔽通信：利用空域差异性，通过信号打散和信息超材料实现隐蔽传输，提高信号不可检测性。
  • 抗干扰：通过RIS的可重构特性，实现对干扰的主动抑制，提高通信质量。
  • 抗衰落：通过多径信道的差异化感知与接收，提升通信鲁棒性。

四、无线内生安全原型系统与原理验证

• 基于RIS的无线高速密钥生成与加密系统：
  • 系统包含车载式电台、单兵电台和RIS单元，实现密钥的快速生成与动态更新。
  • 测试显示在10米距离内，系统实现100%认证成功率。
• 基于RIS的5G内生安全小基站认证系统：
  • 系统通过终端信道指纹实现身份认证，测试显示在2m距离内认证成功率仍为100%。
• 基于RIS的信号隐写与安全传输系统：
  • 通过RIS的反向散射与方向调制技术，实现信号的隐写与安全传输。
  • 测试表明该系统具备强隐蔽性、低能耗和易部署的优势。
• 基于RIS天线的射频前端抗干扰系统：
  • 利用RIS的敏捷可重构特性，实现对无线信号的实时匹配与干扰抑制。
  • 测试显示系统在复杂电磁环境下具有良好的抗干扰能力。

五、无线内生安全的应用展望

• 6G：6G将安全性、隐私性和弹性作为核心设计目标，无线内生安全技术有望成为其安全架构的重要组成部分。
• 高弹性和强韧性军事无线通信：通过无线内生安全技术，提高军事通信系统的抗干扰、抗衰落和抗截获能力，实现高可靠、高弹性的通信。

结论

无线内生安全技术2.0通过利用无线信道的“各点异性”和高自由度构造，构建了一种基于物理复杂度的安全机制，有望在6G和军事通信等场景中实现对未知威胁的主动防御，成为未来无线通信安全的重要发展方向。