通信網絡關鍵技術運用探討

高啟學

（安徽四創電子股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引 言

隨著經濟全球化，世界各國之間交流越來越頻繁。特別是電子通信和網絡技術的不斷進步，促生了互聯網爆發式增長。通過網絡，不同國家、不同區域的人們已經實現了便捷交流。但是，通信網絡在給人類帶來方便的同時，信息安全也面臨著一些風險，如網絡安全防護、日益增加的數據帶寬等問題。因此，需要進一步開展通信網絡關鍵技術研究。

1 通信網絡概述

移動通信、光纖通信和計算機網絡等技術方興未艾，直接把人類推進了互聯網時代，通信產業已發展成為國民經濟支柱產業。我國通信產業厚積薄發，已經建成世界最大、基本覆蓋全國的通信網絡，包括固定接入網、移動通信技網技術和衛星通信網等，尤其是在移動互聯網方面，我國已經走在世界前列[1]。

2 通信網絡關鍵技術

1948年，香農在經典的《通信的數學原理》中，第一次給出了通信容量計算公式，論證了通信容量和占用帶寬之間的關系。迄今為止，在信息傳輸方面，主要瓶頸依然表現在有限頻譜內如何不斷提升傳輸容量。為此，人們積極開展相關的通信關鍵技術研究，以緩解和改善目前所遇到的困境。其中，微波寬帶傳輸、網絡安全防護、大容量衛星通信系統[2]以及有著革命意義的量子通信技術等，都是當下備受關注的關鍵技術。

2.1 微波寬帶傳輸

微波通信技術是移動通信的基礎。從2G、3G到現在的4G移動時代，背后是微波傳輸能力的不斷提升。為了實現數據寬帶、高速傳輸，必須不斷研發新的通信技術，如受到廣泛關注的正交頻分復用（OFDM）調制技術。OFDM技術和傳統意義上微波點頻傳輸方式不同，如圖1所示。它采用多載波調制，基本原理是將需要發送高速串行數據流分散調制在多個子載波上。OFDM信號中，多個子載波之間保持正交關系。解調時，借助各子載波頻率間的正交關系，實現每路信號的分離[3]。OFDM技術不僅可有效提高微波信號傳輸中的抗多徑、抗衰落能力，而且具有較高的頻譜利用率。因此，OFDM技術除了應用在4G移動通信領域，也是5G通信深入研究的關鍵技術之一。此外，微波超寬帶技術（UWB）也是有效提升傳輸容量的一種新型通信技術。如圖2所示，和常規窄帶信號調制方式不同，它采用多組窄脈沖信號對所有傳輸的數據直接進行調制。微波超寬帶技術改變了傳統意義上中頻、射頻等多級調制方式，不僅設計結構簡化，而且理論上能夠實現吉赫茲量級的數據傳輸帶寬。我國“十五”863計劃通信技術主題研究項目中，已經明確把超寬帶無線通信關鍵技術及其共存與兼容技術作為無線通信共性技術與創新技術的研究內容。

圖1 傳統信號頻譜和OFDM信號頻譜

圖2 傳統調制信號和超寬帶調制信號頻譜比較

2.2 網絡安全防護技術

為保障信息使用安全，我國相繼發布了《國家信息化領導小組關于加強信息安全保障工作的意見》《2006—2020 年國家信息化發展戰略》等文件，指導基礎信息網絡和重要信息系統的安全保障體系建設[4]。網絡安全建設是一個復雜的系統工程，僅安全防護方面就涉及到訪問控制技術、病毒防范技術、入侵檢測技術、數據加密技術和備份與恢復技術等。因此，網絡信息安全建設需要從不同角度、層次和維度進行針對性分析，建立分層維、分域維、分級維和分時維4個維度的信息安全技術體系結構[5]，如圖3所示。

圖3 信息安全技術體系結構圖

分層維是指根據不同層面采取相應的安全措施，針對物理層、系統層、網絡層、應用層和管理層的安全問題逐層進行處理，逐層防護。分域維是指根據不同使用范圍進行的區域劃分。不同的使用區域采取不同的安全保護措施，進行分域保護。分級維是指根據信息安全重要程度進行的等級劃分，不同的等級采取相對應的防護技術。時間維是指根據信息安全的時效性進行的階段劃分。事實上，四維網絡安全防護體系有一定的交叉和重疊，但從廣度和深度方面能夠清晰描述網絡安全威脅，有助于發現問題、解決問題。

2.3 衛星通信技術

衛星通信以其全天候、覆蓋面廣等難以比擬的優勢，已經成為通信領域不可或缺的重要組成部分。我國目前也大力發展衛星通信業務，除北斗導航系統外，還在積極研發“天通”“鴻雁”等移動通信衛星。但是，衛星通信存在著容量較小、傳輸時延較長以及使用壽命較短等缺點，需要進一步采取技術措施開展關鍵技術，如多波束天線、星上處理和星地融合等技術，以提升衛星通信的整體水平。

多波束天線（Multiple Beam Antenna）采用智能天線技術將傳輸帶寬分為若干子頻段，每個子波段使用點波束進行獨立傳輸，因而即能夠實現大范圍的區域覆蓋，又可以實現每個子波段的復用。這種工作方式與地面蜂窩通信網絡相似，顯著增加了頻譜利用率和衛星通信容量[6]。星上處理技術是指星上數據交換，實現星上IP交換，如ATM交換、IP交換或電路交換等，使衛星網絡與地面互聯網的融合變得簡單和方便[7]。星地融合技術是針對長期以來地面移動通信網絡和衛星通信網絡各自獨立工作狀態而開發的，能夠充分有效利用雙方優勢，克服雙方劣勢，幫助衛星通信進入主流市場。通過組建星地融合通信網絡，開啟了真正無所不在的移動衛星通信[8]。此外，為了適應不斷增加傳輸帶寬要求，衛星通信轉發器工作頻段由目前常用的C和Ku頻段，逐漸向更高頻率的Ka、Q和V頻段擴展。

3 量子通信技術

量子通信是未來信息通信行業的一個新興戰略性制高點，而我國在量子通信研究和應用方面已經走在世界前列。隨著我國“京滬干線”保密通信網建設和“墨子號”量子衛星順利升空，量子通信獲得了越來越多的關注和重視。和任何經典通信安全保障技術完全不同，量子通信是至今為止唯一得到嚴格證明的、能從原理上確保無條件安全的通信技術[9]。

正如物質是由分子、原子構成一樣，無線電波、光波也可以看作由離散的粒子組成，這就是所謂的波粒二象性。如果粒子按照量子力學規律運動，這些粒子便會處于量子態，被稱之為量子（目前量子都是光量子）。量子自身有以下特點：一是具有不可測量性和復制性，無論采用何種方式對量子進行測量，都會改變量子狀態；二是其量子態豐富，不同于傳統的數字通信基礎碼元不是1就是0兩種狀態，量子可以處于多個狀態的疊加態[10]；三是量子糾纏，兩個相互糾纏的量子之間存在某種關聯，無論它們相距多遠，其中的一個量子狀態發生變化，另一個必然瞬間隨之變化（狀態塌陷）。量子通信是利用量子態和量子糾纏效應進行信息或密鑰傳輸的新型通信方式[11]。基于量子密鑰分發的量子通信原理如圖4所示，通過單光子量子態的制備、傳輸、測量和經典通信協議處理，實現通信雙方之間的量子密鑰共享，再結合一字一密的對稱加密體制，理論上可實現絕對安全的量子通信[12]。

圖4 量子通信基本原理示意圖

4 結 論

經過短短幾十年的發展，我國已經成為電子通信、網絡的使用大國，但是相應的通信網絡技術水平與最先進國家仍尚存一定差距。如何加強通信網絡關鍵技術的研發，提高通信能力，確保網絡信息安全，是我國面臨的現實問題，需要進行不懈努力。

[1] 夏莉萍.電子通信關鍵技術的應用與網絡構架分析[J].電子技術與軟件程，2015，（11）：25-26.

[2] 趙 斌.電子通信關鍵技術的應用與網絡構架分析[J].數字技術與應用，2015，（7）：86-88.

[3] 冷艾亭，楊 雷.基于OFDM的雷達通信共享信號性能研究[J].信息通信，2015，（7）：158.

[4] 魏 亮，魏 薇.通信網絡安全防護相關工作綜述[J].電信網技術，2011，（3）：5-9.

[5] 王斌君，景乾元，吉增瑞.信息安全技術體系研究[J].計算機應用，2009，（6）：59-62.

[6] 周樂柱，李 斗，郭文嘉.衛星通信多波束天線綜述[J].電子學報，2001，（6）：824-828.

[7] 易克初，李 怡，孫晨華.衛星通信的近期發展與前景展望[J].通信學報，2015，（6）：17-33.

[8] S A D E K M ， A I S S A S.P e r s o n a l S a t e l l i t e Communication：Technologies and Challenges[J].Wireless Communications，2012，19（6）：28-35.

[9] 周 飛，王向斌.實用化量子通信技術[J].信息安全研究，2017，（1）：80-85.

[10] 李 健，李登峰，朱家驥.基于半導體量子點的量子通信[J].重慶郵電大學學報（自然科學版），2017，（6）：285-292.

[11] LO H K，CURTY M，TAMAKI K.Secure Quantum Key Distribution[J].Nature Photonics，2014，8（8）：595-604.

[12] 李宏偉，陳 巍，黃靖正.量子密碼安全性研究[J].吉林大學學報（信息科學版）， 2013 ， 31 （1）：1-7.