提升物联网-5G系统物理层安全性：OFDM-SIS-AIS技术解析

### 提升物联网 - 5G 系统物理层安全性：OFDM - SIS - AIS 技术解析 在当今数字化时代，无线通信的安全性至关重要。尤其是在 OFDM （正交频分复用）传输中，如何有效防止窃听成为了研究的热点。本文将详细介绍一种名为 OFDM - SIS - AIS 的增强物理层安全技术，它通过注入人工干扰信号（AIS）显著提升了 OFDM 传输的保密性。 #### 1. OFDM - SIS - AIS 技术基础 在 OFDM 传输场景中，存在发送方 Alice、合法接收方 Bob 以及窃听者 Eve。Eve 接收到的信号可以表示为： \[y_e = H_f eRP\begin{bmatrix}s_d\\s_r\end{bmatrix} + \hat{z}_e \in C^{[N×1]}\] 由于 Eve 的信道与合法信道不同，在合法信道深度衰落时，她无法避免 AIS 的影响，只能进行随机猜测。而且，Alice 选择的子载波与 Eve 的信道无关，对于 Bob 选择的 M 个最强子载波，在 Eve 看来是随机选择的。 OFDM - SIS - AIS 方案形成的额外自由度为 OFDM 设计带来了灵活性，不仅能在最小化容量损失的情况下增强保密性，还能实现其他有用功能，例如降低峰均功率比（PAPR）、带外发射（OOBE）和相邻信道干扰（ACI）等。 #### 2. Eve 的接收过程及性能分析 假设 Eve 了解 OFDM - SIS - AIS 技术，她可能采取以下两种接收过程： - **随机猜测**：接收整个 OFDM 符号，随机猜测用于承载有用数据和注入 AIS 的子载波索引。由于 AIS 和数据结构相同，Eve 无法使用智能检测技术，也无法确定子载波的用途。 - **基于信道质量猜测**：类似于 Bob，根据自己的信道质量猜测用于数据和 AIS 注入的子载波索引。但由于 Eve 的信道与 Bob 不同，她在选择和确定子载波索引时会出错。 由于识别和检测 AIS 注入子载波的过程是完全随机的，这两种接收过程的性能结果相似，因此分析其中一种情况就足以量化 OFDM - SIS - AIS 技术的性能。 #### 3. Bob 和 Eve 的误码率分析 - **Bob 的误码率**：在 OFDM - SIS - AIS 设计下，Bob 的误码率（BER）与 OFDM - SIS 相同。因为 Bob 可以通过信道估计检测并识别用于数据传输和注入 AIS 的子载波，从而在检测过程中排除 AIS 子载波，实现无干扰检测。 - **Eve 的误码率**：Eve 的 BER 与 Bob 不同。她无法避免 AIS 的有害影响，因为她的信道与 Bob 不同。具体来说，Eve 无法正确检测每个子块中注入 AIS 的子载波的错误概率 \(P_e\) 等于两个错误概率事件的乘积： \[P_e = P_{e1} × P_{e2} = (1 - P_{c1}) × (1 - P_{c2}) = \left(1 - \frac{K - M}{K}\right) × \left(1 - \frac{K - M}{K - (K - M)}\right)\] 在高信噪比情况下，Eve 的平均 BER 可以简单表示为： \[BER_e = \frac{1}{2} × P_e = \frac{1}{2} × \frac{M}{K} × \frac{2M - K}{M}\] 当选择比 \(\zeta = 3/4\) 时，\(P_e = \frac{1}{2}\)，\(BER_e = \frac{1}{4}\)；当 \(\zeta = 2/4\) 时，\(BER_e = \frac{1}{2}\)。 #### 4. 保密中断概率分析 保密中断概率是评估 OFDM - SIS - AIS 方案保密性能的合适指标。在实际被动窃听场景中，Alice 和 Bob 都无法获取 Eve 的信道状态信息（CSI），因此选择保密中断概率来量化性能。 在计算保密中断概率之前，需要先确定 Bob 和 Eve 的有效信噪比（SNR）公式以及有效信道分布。 - **Bob 的有效 SNR**：Bob 知道干扰信号子载波的位置，可以丢弃这些子载波，因此他的有效 SNR 不受干扰影响，每个子块的有效 SNR 为： \[\gamma_b = \frac{\zeta|H_{bi}|^2P}{\sigma_b^2}\] - **Eve 的有效 SNR**：Eve 的有效 SNR 受到 AIS 的影响，其表达式为： \[\gamma_e = \frac{\zeta|H_{ei}|^2P}{(1 - \zeta)|H_{ei,int}|