关于物理层安全中人工噪声的研究：机遇、技术、指南、进展与趋势

《IEEE Communications Surveys & Tutorials》：A Survey on Artificial Noise for Physical Layer Security: Opportunities, Technologies, Guidelines, Advances, and Trends

人工噪声（AN）通过利用信道空间自由度提升无线通信物理层安全，在降低窃听信道容量同时不损害合法信道容量。本文系统综述AN的演进、建模、应用及未来趋势，涵盖技术背景、多场景融合及开放挑战分析。

　　

摘要：

由于无线通信的广播特性，物理层安全问题受到了学术界和工业界的越来越多的关注。人工噪声（Artificial Noise, AN）作为一种有前景的物理层安全技术，利用信道的空间自由度来有效增强无线通信的安全性。与其他物理层安全技术相比，人工噪声的关键特点在于它能够根据信道特性生成特定的干扰信号，从而在不影响合法信道容量的情况下降低窃听信道的容量，进而提高通信的保密性。因此，本文对人工噪声进行了全面而最新的综述，包括其发展历程、建模方法、应用场景以及未来趋势。首先，我们介绍了人工噪声的产生原理、基础技术及其技术背景；随后，我们回顾了在各种应用场景中人工噪声技术的最新研究进展以及与人工噪声结合的技术；最后，我们讨论了当前存在的挑战，并概述了人工噪声辅助无线安全技术的潜在发展方向。

引言

在过去的几十年里，随着第五代（5G）技术的成熟商业化以及第六代（6G）技术的快速发展，无线通信得到了广泛应用[1]。由于无线通信的广播传播特性，数据传输面临着信息泄露的严重威胁，这凸显了提高无线通信安全性的重要性[2]。作为无线通信中广泛使用的协议架构，开放系统互连（Open System Interconnection, OSI）模型[3]从上到下包括应用层[4]、表示层[5]、会话层[6]、传输层[7]、网络层[8]以及物理层[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。为了全面有效地保障无线通信的安全性，需要针对每个协议层中的安全威胁和漏洞采取相应的保护措施，以满足真实性、保密性、完整性、可用性等安全要求[25]。通常，在网络层之上，信息安全是通过使用预共享密钥来实现的[26]。尽管加密机制确实提高了通信的保密性能，但它存在密钥分发和管理过程繁琐的问题，尤其是在高速、低延迟的动态无线通信中。此外，所有加密措施都基于“没有密钥就无法解密”的前提，而随着计算能力的飞速发展，这一前提可能会变得不再成立。