根据提供的文章内容，以下是关于物理层安全（Physical-Layer Security, PLS）在6G中的核心内容总结：
核心技术与机制
- 信道编码（Channel Coding）
目标：在离散无记忆信道（DMC）上可靠传输消息
WWW
，通过编码生成序列
XnX^nXn
，接收端根据
YnY^nYn
估计
W^\hat{W}W^
。
性能指标：传输速率
R=log2MnR = \frac{\log_2 M}{n}R=nlog2M
和解码错误概率
Pe=P(W^≠W)P_e = P(\hat{W} \neq W)Pe=P(W^=W)
。
香农定理：当速率
RRR
不超过信道容量
C=maxPXI(X;Y)C = \max_{P_X} I(X;Y)C=maxPXI(X;Y)
时，可实现可靠通信。
- 软覆盖（Soft Covering）
目标：通过编码使信道输出分布
ZnZ^nZn
近似独立同分布（i.i.d.），掩盖编码结构。
关键定理：若速率
R≥I(X;Z)R \geq I(X;Z)R≥I(X;Z)
，输出分布
P^Zn\hat{P}_{Z^n}P^Zn
与真实分布
PZ⊗nP_Z^{\otimes n}PZ⊗n
接近（相对熵
D≤ϵD \leq \epsilonD≤ϵ
）。
应用：用于混淆窃听者，使其无法区分不同消息的输出分布。
- 带边信息的源编码（Source Coding with Side Inf****ormation）
目标：利用边信息
YnY^nYn
压缩源
XnX^nXn
为消息
WWW
，接收端通过
WWW
和
YnY^nYn
重建
X^n\hat{X}^nX^n
。
Slepian-Wolf定理：压缩速率
R≤H(X∣Y)R \leq H(X|Y)R≤H(X∣Y)
时，可实现低错误概率重建。
- 隐私放大（Privacy Amplification）
目标：从相关源
(Xn,Zn)(X^n, Z^n)(Xn,Zn)
中提取均匀且独立于
ZnZ^nZn
的密钥
WWW
。
关键定理：提取速率
R≥H(X原文∣Z)R \geq H(X原文|Z)R≥H(X原文∣Z)
时，密钥与窃听者信息
ZnZ^nZn
的互信息趋近于零（强安全性）。
物理层安全的两大应用场景
- 窃听信道安全通信（Secure Communication over W****iretap Channel）
模型：发送者通过主信道（
PY∣XP_{Y|X}PY∣X
）向合法接收者发送消息，窃听者通过窃听信道（
）截获信号。
关键技术：
随机化编码：为每个消息
mmm
分配随机辅助消息
m′m'm′
，生成随机码字
XnX^nXn
。
软覆盖实现强安全：当辅助消息速率
R′>I(X;Z)R' > I(X;Z)R′>I(X;Z)
时，窃听者无法区分不同消息的输出分布（语义安全）。
保密容量：
CS=maxPVPX原文∣V[I(V;Y)−I(V;Z)]C_S = \max_{P_V P_{X原文|V}} [I(V;Y) - I(V;Z)]CS=maxPVPX原文∣V[I(V;Y)−I(V;Z)]
，其中
VVV
为人工噪声引入的辅助变量。
- 密钥生成（Secret-Key Generation）
模型：多方观测相关源
(Xn,Yn,Zn)(X^n, Y^n, Z^n)(Xn,Yn,Zn)
，合法双方利用公共信道协商密钥
WWW
，窃听者获知协商信息
FFF
。
关键技术：
源编码与隐私放大结合：先通过源编码（速率
R≥H(X原文∣Y)R \geq H(X原文|Y)R≥H(X原文∣Y)
）实现可靠重建，再通过隐私放大（速率
Rk≤H(X∣Z)−H(X∣Y)R_k \leq H(X|Z) - H(X|Y)Rk≤H(X∣Z)−H(X∣Y)
）提取密钥。
密钥容量：
Rk≥max[H(X原文∣Z)−H(X∣Y),H(Y∣Z)−H(Y∣X)]R_k \geq \max[H(X原文|Z) - H(X|Y), H(Y|Z) - H(Y|X)]Rk≥max[H(X原文∣Z)−H(X∣Y),H(Y∣Z)−H(Y∣X)]
。
6G中的工程挑战与机遇
- 高频段与波束成形：
毫米波/太赫兹频段的窄波束通信天然增强方向性，降低窃听风险。
示例：窄波束确保信号仅在目标区域高功率接收，外部窃听者信号微弱。
- 智能反射面（RIS）：
- 动态调控信道环境，增强合法信道质量，恶化窃听信道（如通过随机相位偏移）。
- 学习与适配：
需实时学习无线环境以优化编码参数（如信道分辨力
I(X;Z)I(X;Z)I(X;Z)
）。
机器学习可辅助动态调整安全策略（如基于信道状态选择编码方案）。
编码方案实例
LDPC码：
在二进制擦除窃听信道（BEWC）中，通过对偶码构造实现强安全性（泄漏信息
I(M;Zn)≤nRPeI(M;Z^n) \leq nR P_eI(M;Zn)≤nRPe
）。
极化码（Polar Codes）：
通过信道极化分离“好信道”（高互信息）和“坏信道”，将信息比特置于对合法用户可靠、对窃听者嘈杂的信道，实现语义安全。
总结
物理层安全为6G提供了无需加密密钥的信息论安全保障，核心是通过随机化编码、信道分辨力控制和隐私放大技术，结合高频波束成形与智能反射面等新硬件能力，实现强安全性（语义安全）和高密钥生成率。未来需解决信道环境动态学习、低复杂度编码设计及与传统密码学的融合问题。
贡献者
pansin