一种基于确定性网络编码与联合空时最大比合并技术的水下声学通信跨层安全传输方案

《Physical Communication》：A cross-layer secure transmission scheme for underwater acoustic communications via deterministic network coding and joint space-time maximum ratio combining

　　摘要：为降低水声通信易受被动窃听攻击的脆弱性，本文提出一种跨层安全传输方案，将信道缺陷转化为安全优势。在链路层，利用ARQ的反馈不对称性，并结合确定性网络编码，实施“全有或全无”的解码约束，使得部分被截获的数据包无法恢复出有效信息。在物理层，采用空时最大比合并技术，充分利用接收器阵列的空间分集以及重传过程中的时间分集。该机制不仅能有效对抗深度衰落以确保可靠性，还能加快合法接收端的解码速度，从而形成时间优势，降低信息泄露风险。此外，我们还给出了水声信道下信息泄露概率和中断概率的封闭形式表达式，并提供了描述安全性、可靠性与延迟之间关系的设计准则。最终，大量的仿真与现场试验结果验证了理论分析的正确性，表明所提出的跨层设计能够在保持强连通性的同时有效抑制信息泄露。

引言：随着海洋资源开发力度加大以及水下军事活动日益频繁，水声通信在海洋探测、环境监测和国防领域发挥着重要作用。然而，水中的声波传播具有广播特性，这意味着处于通信范围内的被动窃听者无需暴露身份即可截获信号[1]。在水下环境中，这种威胁尤其难以防范，因为隐蔽的监听设备可以长期保持静默状态。因此，实现水声通信系统的安全传输已成为一项重要挑战[2]。基于密钥管理的传统上层加密方法并不总是适用于水下网络。许多水下节点在能量和计算能力方面存在限制，而密钥更新往往成本高昂或操作不便[3][4]。为解决这些问题，研究重心逐渐转向物理层安全技术[5][6]。现有的物理层安全研究主要利用信道的随机性和互易性、人工干扰或协作保护以及波形设计等方法。例如，可以通过测量信道脉冲响应及相关传播特性来提取密钥[7][8][9]。但在多径效应严重且数据包丢失频繁的时变信道中，双方可能会观测到不同的信道状态，从而降低有效的密钥协商效率。另一类方法则通过干扰或协作保护来提升保密性[10][11]，但这些方法通常需要额外的发射能量和精确的同步，对于资源受限的水下节点来说往往不可行。基于生物启发信号的隐蔽波形策略虽然能够降低被检测的概率，但往往会牺牲频谱效率。综合来看，这些局限性表明，仅依靠物理层很难在实际水声通信中实现安全性与性能的理想平衡。

传统上，水声信道以强噪声、严重多径效应和深度衰落为特征，这些因素普遍被认为会阻碍可靠通信。本文提出了一种新的视角：并非仅仅试图克服信道的不可靠性，而是将其作为一种资源来增强安全性。其核心理念在于，利用水下环境的恶劣条件对被动窃听者构成不利影响。如果我们能设计出一种方案，使得合法接收方能够克服这些缺陷，而窃听者却无法做到，那么信道的恶劣条件就能从弊端转变为保障保密性的因素。为了将这一理念转化为实际设计，我们将自动重传请求技术与时确定性网络编码相结合[14][15][16][17]。该方案首先利用ARQ的反馈不对称性：合法接收方可以请求重传丢失的数据包，而窃听者则无法这么做，只能听到初始广播及接收方发起的重传信号。由于水声信道具有很强的位置依赖性和时变性，这种空间不对称性进一步放大了这一优势。因此，合法接收方与窃听者面临的数据包丢失模式不同，他们丢失的数据包很少有重叠。即便ARQ能够确保合法接收方成功恢复数据，从统计学上看，窃听者也不太可能收集到完整的信号序列。为将这一统计差异转化为坚实的安全保障，确定性网络编码实施了“全有或全无”的解码约束。通过线性组合数据包，我们可以确保除非窃听者截获所有线性独立的编码数据包，否则无法获取任何原始信息，而在敌对的水下环境中，这几乎是不可能的。我们采用OFDM技术实现高速传输[18]，利用其对多普勒频移和多径效应等水声信道特性的敏感度，对窃听者构成不利影响。在这种条件下，被动截听容易引发频繁的数据包错误，窃听者自然无法满足我们安全设计所要求的严格完整性约束。不过，当信道条件较差时，合法接收方也可能遭遇深度衰落和高误码率，进而违反确定性网络编码的“全有或全无”解码约束，导致解码失败。为确保合法链路的可靠性，我们提出了空时最大比合并方案，该方案通过对接收器阵列及ARQ重传轮次进行加权合并，提升有效信噪比，从而使合法接收方能够恢复全部数据包。重要的是，空时最大比合并带来的快速解码还能创造时间优势：一旦合法接收方成功解码并发送确认信号，重传就会终止，这会缩短窃听者的观察时间，降低其获取确定性网络编码所需完整编码数据包的概率。此外，在许多实际水声通信应用中，合法接收方通常配备有接收器阵列，而隐蔽的窃听者则因保密要求限制，既缺乏足够的接收分集能力，也无法请求重传。从安全角度来看，这种分集优势进一步拉大了合法链路与窃听链路之间的信道质量差距[19]，从而增强了安全性。基于上述思路，我们构建了一个跨层的联合防御框架。在链路层，利用ARQ的反馈不对称性并结合确定性网络编码，实施数据包级的“全有或全无”解码约束，以确保安全性。在物理层，通过空时最大比合并技术利用空间分集和时间分集，加快合法接收方的解码速度，同时形成时间优势，降低信息泄露风险。此外，针对广泛用于描述水声信道的莱斯衰落模型，我们给出了信息泄露概率和中断概率的封闭形式表达式[20]。我们还量化了最大重传轮次对平均传输次数及延迟的影响，为性能优化提供了理论指导。最后，仿真与现场试验结果均验证了分析的正确性，表明即使在窃听者所处的信道条件优于合法接收方的情况下，所提出的方案仍能抑制信息泄露，确保数据的可靠传输。本文的其余结构如下：第2节介绍系统模型及主要安全假设；第3节详细阐述所提出的跨层安全传输方案；第4节进行理论分析，并在莱斯衰落模型下推导出关键性能表达式；第5节和第6节分别通过数值仿真与现场试验评估该方案的性能；最后第7节对全文进行总结。