Deep learning based semantic communication(DLSC) systems have shown great potential of making wireless networks significantly more efficient by only transmitting the semantics of the data. However, the open nature of wireless channel and fragileness of neural models cause DLSC systems extremely vulnerable to various attacks. Traditional wireless physical layer key (PLK), which relies on reciprocal channel and randomness characteristics between two legitimate users, holds the promise of securing DLSC. The main challenge lies in generating secret keys in the static environment with ultra-low/zero rate. Different from prior efforts that use relays or reconfigurable intelligent surfaces (RIS) to manipulate wireless channels, this paper proposes a novel physical layer semantic encryption scheme by exploring the randomness of bilingual evaluation understudy (BLEU) scores in the field of machine translation, and additionally presents a novel semantic obfuscation mechanism to provide further physical layer protections. Specifically, 1) we calculate the BLEU scores and corresponding weights of the DLSC system. Then, we generate semantic keys (SKey) by feeding the weighted sum of the scores into a hash function. 2) Equipped with the SKey, our proposed subcarrier obfuscation is able to further secure semantic communications with a dynamic dummy data insertion mechanism. Experiments show the effectiveness of our method, especially in the static wireless environment.


翻译:深度学习语义通信系统在只发送数据语义方面的效率是极高的。然而,无线信道的公开性和神经模型的脆弱性使得此类系统极易遭受各种攻击。传统的基于物理层的密钥交换方法依赖于两个合法用户间对称信道和随机性特征的共同作用,因此有望保障深度学习语义通信系统的安全。然而,如何在低速或零速的静态环境下生成安全密钥是一个难题。该论文提出了一种新颖的物理层语义加密方案,通过探索机器翻译中双语评估的(BLEU)随机得分,生成语义密钥(SKey)来实现。此外,本论文还提出了一种新颖的语义混淆机制来提供更多的物理层保护。具体来说,我们计算DLSC系统的BLEU得分和相应的权重。然后,将得分的加权和输入哈希函数中,以生成语义密钥。在生成的密钥的辅助下,我们提出的子载波混淆机制能够通过动态插入虚假数据来进一步保障语义通信的安全。实验结果表明,本方法在静态无线环境下尤其有效。

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