5G通信中的增強(qiáng)物理層安全信號處理技術(shù)研究

黃壽杰

摘要：本文通過分析5G移動(dòng)通信在安全性方面的要求，探究了關(guān)于增強(qiáng)物理層安全信號的處理技術(shù)，以期對5G移動(dòng)通信未來的發(fā)展提供一定的幫助。

關(guān)鍵詞：5G通信;物理層安全;信號處理

中圖分類號：TN918 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）06-0046-02

0 引言

當(dāng)前階段，我們運(yùn)用的無線通信技術(shù)雖然具備一定的廣播特性，但用戶在通信中卻面臨著竊聽的危險(xiǎn)，更新無線通信系統(tǒng)必不可少，這就給相關(guān)設(shè)計(jì)人員的工作帶來很大的挑戰(zhàn)。在過去，若要有效解除用戶被竊聽的風(fēng)險(xiǎn)，行之有效的解決辦法是給網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行加密，但在秘鑰的分配和管理上卻經(jīng)常出現(xiàn)漏洞。近幾年來，相關(guān)方面的研究轉(zhuǎn)向以5G移動(dòng)通信物理層安全信號技術(shù)的處理上來，在降低高層協(xié)議復(fù)雜度方面的優(yōu)勢明顯，具有十分廣闊的應(yīng)用前景和開拓價(jià)值。

1 關(guān)于數(shù)據(jù)發(fā)射階段的物理層安全信號處理

由于人們在使用5G移動(dòng)通信時(shí)會(huì)傳輸大量的信息，包括部分隱私信息，這些信息若不能得到妥善的加密處理，很有可能對用戶安全帶來隱患。因此，解決好信號竊聽的問題，很大程度上便解決了5G移動(dòng)通信所面臨的最大的安全問題。目前，在5G移動(dòng)通信的物理層安全信號處理上，數(shù)據(jù)發(fā)射階段較常使用的處理技術(shù)有以下兩種[1]：

1.1 數(shù)據(jù)編碼技術(shù)

5G移動(dòng)通信在信號保護(hù)方面的功能較弱，信號保護(hù)問題一直是困擾5G移動(dòng)通信發(fā)展的一大阻礙。在過去相關(guān)的應(yīng)用中，由于5G移動(dòng)通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾暂^低，人們的關(guān)注度也隨之降低，但隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)達(dá)，現(xiàn)在5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，5G移動(dòng)通信的數(shù)據(jù)傳輸問題再次得到社會(huì)各界人士的關(guān)注。數(shù)據(jù)編碼技術(shù)便是基于5G移動(dòng)通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑砗蛿?shù)據(jù)傳輸中存在的問題，結(jié)合信息保護(hù)功能的特殊性，利用電子數(shù)據(jù)保護(hù)方式對物理層的安全信號進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理層的處理之后，再傳送到對應(yīng)位置上來。這種常見的數(shù)據(jù)保護(hù)方法，一般采用矩陣形式重新排列組合數(shù)據(jù)流，從而對物理層上的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行保護(hù)。但是，因?yàn)槟壳耙苿?dòng)智能終端的數(shù)據(jù)處理能力十分有限，僅僅通過數(shù)據(jù)編碼技術(shù)進(jìn)行信息保護(hù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，被破譯的可能性仍舊很大，所以在具體開展時(shí)應(yīng)將理論和實(shí)際有效地結(jié)合起來，采用編碼技術(shù)處理時(shí)，相關(guān)的工作人員仍需多方面考慮其他信號處理技術(shù)的實(shí)效，全方位守護(hù)5G移動(dòng)通信系統(tǒng)。

1.2 干擾信號加入的安全信號處理技術(shù)

由于智能移動(dòng)端數(shù)據(jù)處理的容量不大，一些功能較為強(qiáng)大的信號安全處理技術(shù)都無法得到充分的運(yùn)用。因此，采用一些新技術(shù)增強(qiáng)5G移動(dòng)通信物理層安全信號處理技術(shù)是必不可少的。結(jié)合移動(dòng)通信的性質(zhì)、特征，干擾信號加入的安全信號處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。加入干擾信號的方法是在智能移動(dòng)端主信道的信號收集工作做完以后，在信號發(fā)送之前加入部分人工噪聲的干擾信號，將兩種信號即主信道信號和噪聲信號加以混合，接著通過對應(yīng)的數(shù)據(jù)編碼技術(shù)將信號進(jìn)行編碼，而后抄送。這樣處理的目的是，有效防止用戶在使用5G移動(dòng)通信技術(shù)時(shí)個(gè)人信號被攔截竊聽的風(fēng)險(xiǎn)，通過加入人工噪聲信號這種特殊的干擾信號，即使信息被攔截也能夠有效稀釋攔截到的信息量，從而實(shí)現(xiàn)安全信號處理的目的。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)注意兩點(diǎn)事項(xiàng)：第一點(diǎn)，為了防止加入的人工噪聲信號超出主信道的信號，應(yīng)注意平衡好數(shù)字信號和人工噪聲信號的幅度;第二點(diǎn)，雖然加入干擾信號能有效降低攔截者的竊聽效率，但這樣做對于用戶自身信息的完整性而言還是有一定影響的，所以平衡選擇這一環(huán)節(jié)一定要做好，才能對整個(gè)5G移動(dòng)通信系統(tǒng)起到更大的保護(hù)作用。

2 信號處理階段的物理層安全信號處理

提升5G移動(dòng)通信的物理層安全信號處理技術(shù)，根據(jù)不同的階段采取不同的數(shù)據(jù)處理方法，在數(shù)據(jù)發(fā)射階段，數(shù)據(jù)編碼技術(shù)和干擾信號加入的安全信號處理技術(shù)這兩種技術(shù)的有效運(yùn)用，一定程度上降低了用戶信號被竊聽的風(fēng)險(xiǎn)。而在信號處理階段，為了更好地提高物理層安全性的技術(shù)手段，常見的解決方案有兩種：第一種是針對信號在被攔截之后，對攔截者信道施加干擾的重復(fù)性的信號反饋與校正方案，第二種是雙向校正方案，彌補(bǔ)了第一種方案的不足，能夠更加完整地保留信號本身[2]。

2.1 重復(fù)性的信號反饋與校正方案

在信號處理階段，重復(fù)性的信號反饋與校正方案能夠起到干擾攔截者信道預(yù)判的效果，主要通過發(fā)射端發(fā)射導(dǎo)頻訓(xùn)練信號和人工噪聲的方式，影響竊聽者的信道估計(jì)性能。當(dāng)信號被攔截者攔截下來以后，攔截者會(huì)對移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的信道加以預(yù)判，竊取個(gè)人信息。如果能在這一過程施加有效的干擾，減緩攔截者獲取有用信息的頻段，用戶通信安全即使遭受一定的威脅，至少也能減少信息被竊取的損失。

重復(fù)性信號反饋與校正作為常用的處理方法之一，理解具體操作過程的步驟，在每一環(huán)節(jié)認(rèn)真把關(guān)：在信號發(fā)射時(shí)，通過導(dǎo)頻序列的整合，啟動(dòng)預(yù)定的信號處理工序，信號經(jīng)過處理之后再發(fā)送。發(fā)射端接收經(jīng)過處理后的新導(dǎo)頻序列，與此同時(shí)添加人工噪聲干擾信號，并將此前的導(dǎo)頻訓(xùn)練信號二者合并，放入CSI零空間，CSI零空間主要反饋目的端的信號與訊息。目的端對精密性移動(dòng)信號與智能信息的阻滯作用較強(qiáng)，可大大減低竊聽者的信道強(qiáng)度，避免用戶信息被二次加工處理。緊接著，目的端估計(jì)信道后再次反饋給發(fā)射端，發(fā)射端合并前兩次的結(jié)果，提煉出完整的訊息導(dǎo)頻序列，再經(jīng)由CSI零空間的信號放送估計(jì)CSI精度。這一過程中重復(fù)的步驟較多，多次訓(xùn)練的目的只為用較少的導(dǎo)頻功率進(jìn)行移動(dòng)信號處理，直到發(fā)射端獲得精確的CSI精度值為止。而人工噪聲干擾信號加入的目的，是為了使信道子空間更為精確。綜合CSI零空間、信道、發(fā)射端三者，巧妙地運(yùn)用三者之間的聯(lián)系，將重復(fù)性的信號反饋與校正工作落實(shí)到位，在實(shí)踐中達(dá)到干擾攔截者信道預(yù)判的理想效果。

2.2 雙向校正方案

雙向校正技術(shù)方案能夠?qū)⒔邮斩思{入整個(gè)信號校正過程，雙向?qū)π盘栠M(jìn)行校正，提高信號校正的工作效率。第一階段，主要是在目的端進(jìn)行反向訓(xùn)練，向源端發(fā)射已知的訓(xùn)練信號，根據(jù)信道互易性，等待目的端到源端的信道信息估計(jì)完成后再進(jìn)行精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)置，這樣一來，竊聽者雖然能估計(jì)出從目的端傳來的信道信息，但由于雙向校正技術(shù)方案中反向信號訓(xùn)練功能的充分發(fā)揮，在目的端到源端的訓(xùn)練信號被雙向轉(zhuǎn)置了，所以從源端傳來的信道信息便無法有效接收到。第二階段，前向訓(xùn)練階段通過源端向目的端發(fā)射導(dǎo)頻信息，并插入CSI零空間的人工噪聲，重新進(jìn)行信號的校正。接收端在接到校正信號時(shí)同步進(jìn)行廣播，竊聽者此前并不知情。接收端可以把接收到的信號向發(fā)射機(jī)轉(zhuǎn)達(dá)，直接計(jì)算出前向信道的值。但是，這兩種導(dǎo)頻校正方案，在性能方面仍存在一定的局限性，所以有待進(jìn)一步的探索和完善。

3 結(jié)語

綜上所述，為了保證5G移動(dòng)通信的應(yīng)用發(fā)展，更好地滿足信息體驗(yàn)用戶的安全需求，根據(jù)不同的階段采取不同的數(shù)據(jù)處理方法，將研究方向轉(zhuǎn)向應(yīng)用價(jià)值與開拓前景并重的新型處理技術(shù)的開發(fā)，這對提高5G通信的物理層安全水平仍有著十分重要的影響，應(yīng)再接再厲，繼續(xù)潛心鉆研。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫輝.無線通信物理層安全方案探析[J].電子世界，2017（13）：9-10.

[2] 侯曉赟，黃庭，金朱艷，范偉.增強(qiáng)物理層安全的聯(lián)合發(fā)射天線選擇和人工噪聲技術(shù)[J].信號處理，2014（11）：1263-1266.

Research on Enhanced Physical Layer Security Signal Processing Technology in 5G Communication

HUANG Shou-jie

（Zhongshixun Communication Construction Co.， Ltd. ， Guangzhou Guangdong? 511450）

Abstract：By analyzing the security requirements of 5G mobile communication， this paper explores the processing technology of enhanced physical layer security signal， with a view to providing some help for the future development of 5G mobile communication.

Key words：5G communication; physical layer security; signal processing