5G通信中的增強物理層安全信號處理技術(shù)研究

王猛

摘 要：在當(dāng)前時代背景下，5G技術(shù)越發(fā)普及，其在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，能夠依靠引入增強物理層信號技術(shù)，以此提升信號本身的安全水平。盡管經(jīng)過長時間探究，我國已經(jīng)在相關(guān)領(lǐng)域取得了較好的成績，但仍然有部分問題沒有攻克。文章主要描述了5G通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的重要性，探討了5G無線通信物理層關(guān)鍵技術(shù)，并對于安全信號處理技術(shù)發(fā)表一些觀點和看法。

關(guān)鍵詞：5G通信;增強物理層;安全信號;處理技術(shù)

1 5G通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的重要性

1.1 提升資源利用率

5G的傳輸速度非常快，使得人們顛覆了對通信速度的理解。從4G的輸出波形能夠看出，當(dāng)頻譜圖十分集中的時候，占用的帶寬也就更多，導(dǎo)致傳遞速度受到嚴(yán)重影響，整體質(zhì)量也不夠。而伴隨5G的應(yīng)用，這一問題就會被逐步解決。

1.2 擴大系統(tǒng)容量

伴隨通信技術(shù)的發(fā)展，我國網(wǎng)絡(luò)逐步進(jìn)入信息化時代，實際使用的數(shù)量也有了顯著推升。但與此同時，早期一些4G技術(shù)很難保證傳遞的穩(wěn)定性，因此，通過構(gòu)建5G通信網(wǎng)，可以有效擴大系統(tǒng)的容量，實現(xiàn)高速傳輸。

1.3 注重用戶體驗

4G技術(shù)的發(fā)展，讓人們的手機使用習(xí)慣有所改變，也推動了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)持續(xù)進(jìn)步。5G技術(shù)不但速度更快，而且深受用戶喜愛，在確保安全性的同時，能變得極為真實。人們可以隨時隨地地觀看4K視頻，再也無須擔(dān)心網(wǎng)絡(luò)問題。

2 5G無線通信物理層關(guān)鍵技術(shù)

2.1 毫米波通信

毫米波通信主要指的是依靠毫米波的方式完成通信工作的方案，這是一類十分具有代表性的方法，在大范圍煙霧的穿透、高機密傳遞以及高質(zhì)量傳輸方面有著許多優(yōu)勢。一般來說，之所以會有路徑損耗的情況，主要是因為在傳輸?shù)倪^程中出現(xiàn)了信號擴散的情況，同時信號也受到外部環(huán)境的影響。此外，干擾也會讓信號丟失，在穿過建筑物的時候，能量會在一定程度上發(fā)生損失。當(dāng)波形處于高段或者中段的時候，若要穿過部分障礙物，往往需要耗掉特別多的能量，傳播距離也會受到限制。在傳輸?shù)臅r候，大量能量出現(xiàn)丟失，可能造成毫米波穿過建筑物之后，信號質(zhì)量全面下降，甚至可能造成無法獲取的情況。當(dāng)一些低頻信號穿越的時候，完成了穿透和反射，相比其他頻段，能量損失自然相對更低[1]。

2.2 大范圍MIMO技術(shù)

大范圍MIMO技術(shù)本身能夠有效提高頻譜效率，并實現(xiàn)高速傳播，信號質(zhì)量也很高。早期在使用MIMO技術(shù)的時候，不但需要設(shè)置一個巨大的天線，而且還要進(jìn)行站點租用，伴隨技術(shù)的不斷革新，實際投入的成本也在持續(xù)提高。顯然，這種方式已經(jīng)過時，無法滿足人們的需求。尤其是在數(shù)據(jù)特別多的時候，很容易因為卡頻而丟失。針對大范圍MIMO展開全面研究，不但可以看作是無線網(wǎng)絡(luò)未來發(fā)展的基本趨勢，而且是擴大基站容量的最佳方案。盡管大范圍MIMO技術(shù)在近些年取得了較大發(fā)展，但仍然有部分問題需要處理。如何更好地適應(yīng)全新的移動通信，并完成信號反饋，是其未來的主要挑戰(zhàn)。

2.3 高頻段的應(yīng)用

伴隨移動通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，4G通信系統(tǒng)的頻段低于3 GHz，網(wǎng)絡(luò)用戶的數(shù)量正在持續(xù)增加。若頻帶低于? ? ? ? ? ? 3 GHz，網(wǎng)絡(luò)會不堪重負(fù)。而在5G技術(shù)快速發(fā)展的今天，依靠在高頻帶里面應(yīng)用大范圍MIMO，能夠基于3 GHz的狀態(tài)之下，提供各種各樣不同的信息資源，同時還能解決早期一些高頻帶中的問題，防止資源發(fā)生短缺的情況[2]。

3 物理層安全信號處理技術(shù)

3.1 波束賦形和預(yù)編碼

為了能夠防止竊聽者盜取信息資源，降低信道質(zhì)量，并提升主導(dǎo)信號和竊聽信道的性能差異，在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，通常會額外增加一定的人為噪音，在不會對目標(biāo)用戶正常使用帶來任何干擾的情況下，使竊聽者受到強烈干擾。由于這些噪音有著較高的隨機性，會使得竊聽者的信噪比下降，導(dǎo)致信息截取速度也隨之下降。若發(fā)射機知道主信道的狀態(tài)為CSI，則能將當(dāng)前已經(jīng)完成添加的人工噪音全部投射到正交子空間里面。尤其是在處理MISOME狀態(tài)時，能夠依靠次優(yōu)匹配的方式，防止最佳波束形成。

3.2 數(shù)據(jù)信號和功率分配

對于數(shù)據(jù)信號和人工噪音而言，對功率部分合理分配能夠使其安全性得到提高。若發(fā)射機在了解竊聽者的CSI，并完成了統(tǒng)計之后，則很難準(zhǔn)確提供最大安全系數(shù)。正是該因素，基于相關(guān)研究，在多數(shù)情況下，相應(yīng)的分配策略主要基于性能估計，諸如安全系數(shù)、中斷的概率以及上限和下限。在MISOSE場景之中，一旦發(fā)射機能夠了解主信道的CSI數(shù)據(jù)之后，就能拿其和完整CSI進(jìn)行對比，此時若再選擇添加人工噪音，則會發(fā)生泄漏的情況，影響正常用戶。若發(fā)射機獲取的CSI存在缺陷，此時可以為MISOME以及MIMOME加入人工噪音。

3.3 物理層處理技術(shù)

在這一方法之中，在前期確定信道的過程中出現(xiàn)干擾，同時竊聽者的信道預(yù)定精度偏低。竊聽者能夠依靠多次處理的方式，促使SNR的預(yù)測精確度大幅度下滑。在預(yù)先確定的那段時間之中，主要可以采用兩種方式，分別是雙向校正以及校正反饋[3]。

3.3.1 反饋和重新校正

這一方案主要是針對原有的培訓(xùn)過程，將其變成多個不同的階段。在信號前期傳輸?shù)臅r候，發(fā)射機需要先對導(dǎo)頻序列予以明確，之后再傳遞信息。接收器能夠先接一些正確的信息，之后再通過最小誤差的方式，對整個信道予以估計，并完成反饋。然后，最小誤差方式能夠重新對最新的導(dǎo)頻序列予以傳遞，并嘗試將人工噪音加進(jìn)來。這些都能直接在CSI零空間里面反映。正是這一因素，一般來說，人工噪音對于飛行員的正常訓(xùn)練基本上不會帶來直接影響，但不會使得通道自身的精確性受到影響。所以，竊聽者可能對人工噪音帶來影響。信號干擾產(chǎn)生的效果顯然更為明顯。信道在完成預(yù)判之后，接收機能夠直接展開信息傳遞，將信號發(fā)送到發(fā)射機，并讓其直接獲得的兩個結(jié)果完成組合，獲取CSI精度數(shù)值，從而明確導(dǎo)頻訓(xùn)練的具體型號，逐步完成改進(jìn)預(yù)測，精確度與二者直接呈正比。發(fā)射機通過對導(dǎo)頻信號展開輸出，該信號內(nèi)部包含一定的人工噪音，直接傳給發(fā)射機之后，可以基于反饋，獲得更好的結(jié)果。這一方案能將人工噪音放置在最為合理的位置上面，畢竟在確保信號傳遞的同時，還能保持相對偏低的頻率，經(jīng)過多次校正，逐步獲取最佳的SCI。

3.3.2 雙向校正

雖然校正反饋—重新校準(zhǔn)方案有其可行性，然而實際通信往往會花費大量資源，整體效率也不高，畢竟其在運作的過程中，必須執(zhí)行多個校正和反饋。可以看出，這類校正方案屬于對早期方案的全面優(yōu)化，并能克服其中的不足。所以，這一方法的最大優(yōu)勢便是，在對雙方向信號進(jìn)行校正的時候，接收器也完成了集成工作，促使運行效率得到提升。從目前來看，這一形式主要能分成兩類，具體工作場地完全不一樣。由于信道自身具有較強的互易性特色，始發(fā)端能夠直接完成目的信號的獲取工作。然而，在這個時候，由于竊聽者能夠直接完成信息的獲取，很難識別來自發(fā)行者的竊聽者。在前面的階段之中，發(fā)射機在傳遞信號時，會額外加入一些其他的人工噪音，所以會讓竊聽信號出現(xiàn)降級的效果。但是，載波系統(tǒng)在前向以及反向系統(tǒng)里面，實際擁有的頻率點差，同時在信道之中，并不具備互易性特色。基于這一狀況，工作人員就需要采取重新對齊的方式。當(dāng)接收機正在進(jìn)行逆校正，其將一些已經(jīng)獲知的信息傳遞到發(fā)送端里面，同時其還會通過隨機的方式傳遞校正信號。但是，在廣播信號之中，只有發(fā)送器有一定概率會被攔截。從目前來看，這些試點的修復(fù)在性能研究方面仍然有其局限性，所以，相關(guān)人員還要進(jìn)一步展開研究，對其不斷完善。

4 結(jié)語

綜上所述，5G技術(shù)的應(yīng)用能夠大幅度提高數(shù)據(jù)傳遞的效率和安全性。盡管相關(guān)研究已經(jīng)提出了一定的處理方案，但由于SCI存在諸多缺陷，很可能被他人竊聽。當(dāng)前就需要做好研究工作，把握其安全性和可靠性，逐步改善用戶體驗，針對早期存在的問題，及時予以有效處理。長此以往，我國網(wǎng)絡(luò)通信的整體水平就會大幅度提升，進(jìn)而推動整個行業(yè)持續(xù)進(jìn)步。

[參考文獻(xiàn)]

[1]黃壽杰.5G通信中的增強物理層安全信號處理技術(shù)研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2019（6）：46-47.

[2]劉春陽，馬英，陳周天，等.5G通信中的增強物理層安全信號處理技術(shù)探討[J].通訊世界，2017（20）：66-67.

[3]劉丹陽.基于5G通信增強物理層安全信號處理技術(shù)研究[J].電子測試，2020（24）：125-126.

（編輯 王永超）