基于MIMO-OFDM的5G通信跨層安全傳輸技術研究

黃 凌，林 倫

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

我國于2012年首次提出了5G通信的概念，作為滿足通信業務需求的飛速增長而發展起來的新一代通信技術，5G通信具備很高的用戶體驗、傳輸速率、能效以及頻譜利用率，是通信領域目前的研究熱點[1]。為迎合信息社會的不斷發展以及未來通信領域的發展需求，5G通信技術將會與其他種類的通信技術相融合，發展成具備網絡自調整、自感知的新一代通信網絡[2]。對于5G通信網絡而言，由于其相比有線通信而言傳輸更加不穩定、終端具備移動性、網絡拓撲結構更加多樣，因此很容易被竊聽用戶身份信息、用戶數據、信令信息等通信內容，存在著更大的安全風險，因此保障其跨層安全傳輸對于5G通信技術而言意義重大。本文基于此背景對5G通信跨層安全傳輸技術進行研究，并將MIMO-OFDM應用于5G通信跨層安全傳輸技術中，提出了一種基于MIMO-OFDM的5G通信跨層安全傳輸技術。

1 5G通信跨層安全傳輸技術設計

1.1 構建5G通信系統認證模型

首先對5G通信系統認證模型進行構建，以通過物理層對5G通信網絡進行安全認證。構建的模型具體如圖1所示[3]。該5G通信系統認證模型的具體安全認證流程如下。

（1）Bob和Alice 首先互相發送導頻信號，并以此為依據實施信道估計，以獲取相關度較高的信道信息序列SBob與SAlice。在該過程中，Eve 進行被動竊聽，獲取信道信息序列SEve。

（2）Alice要向Bob傳送消息M，經編碼后獲得了SX序列，其編碼函數如下：fM:M,SAlice→SX，其中fM代表編碼函數。

（3）經有噪信道后，消息接收者Bob實現了SY序列的接收，通過進行譯碼對消息M進行還原或對消息進行拒絕，其解碼函數如下：gM=SY,SBob→M∪{⊥}，其中gM代表解碼函數；⊥代表解碼失敗，也就是認為不是Alice發出的該消息。

（4）編解碼碼本的構成碼字為|M|Nc個，信道信息序列所對應的典型集為Nc個，各消息分別與|M|個子集里的一個相對。

圖1中SZ代表Eve 所接收的序列；M'代表Eve發送的、想要使Bob接收的消息。在構建的5G通信系統認證模型中，Bob認證Alice所發的消息，利用互換角色即可實現二者之間的雙向認證[4]。

1.2 加密發射端

基于MIMO-OFDM系統制訂5G通信跨層安全傳輸方案，方案包括兩個方向，一個方向是加密發射端，另一個方向是解密接收端，以實現5G通信跨層安全傳輸[5]。

首先通過MIMO-OFDM系統對發射端進行加密處理，具體步驟如下：

（1）將兩個序列發生器（偽隨機）所產生的密匙流分別用a與b來表示，這兩個密匙流相互獨立，對其進行定義，具體如下。

式（1）中ai、bi代表i時刻兩個密匙流的偽隨機序列值，二者均屬于1到-1的區間。

（2）在MIMO-OFDM系統IDFT調制模塊N點前端對兩個密匙流的組合形式即秘密對角矩陣進行添加，并且其該秘密對角矩陣由通信雙方進行預先共享，以組成一個新的調制模塊，通過該調制模塊實現發射端的加密。

1.3 解密接收端

解密接收端的步驟具體如下：

（1）通過描述轉換對接收信號實施變頻處理，獲取密文。

（2）對加密之后的頻域信號實施恢復處理。

（3）發射端與合法用戶對兩個密匙流進行共享，并生成發射端加密時所使用矩陣的對應逆矩陣。

（4）對正確的通信頻域信號進行恢復。

（5）對輸出數據流進行解調。

由于竊聽者不清楚秘密序列，因此其需要通過對秘密序列進行猜測來實施接收檢測，具體步驟如下：

（1）對加密之后的頻域信號進行恢復。

（2）對秘密序列進行猜測。

（3）對秘密矩陣進行生成。

（4）完成頻域信號的恢復。

而由于秘密序列較長，竊聽者在噪聲環境下很難完全實現密匙的破解，恢復出來的頻域信號往往是錯誤的，譯碼時誤碼率極大，實現5G通信跨層安全傳輸。

2 跨層安全傳輸實驗驗證

2.1 實驗設計

為驗證設計的基于MIMO-OFDM的5G通信跨層安全傳輸技術的性能，進行對比實驗。以高斯信道為實驗條件進行5G通信跨層安全傳輸實驗。實驗中發射端發射的幀數為兩千幀，各幀的OFMD符號為12個。實驗中的5G通信系統采用的IDFT/DFT共256點，其中子載波信號共192個；虛擬子載波共64個；并加入循環前綴64個。利用基于MIMO-OFDM的5G通信跨層安全傳輸技術在信噪比逐漸增加的情況下測試接收者的誤碼率作為實驗數據。為避免本次實驗結果過于單一，將基于竊聽信道模型、基于概率分布函數的5G通信跨層安全傳輸技術作為實驗中的對比技術進行三種技術的對比實驗。同樣利用基于竊聽信道模型、基于概率分布函數的5G通信跨層安全傳輸技術進行5G通信實驗，并獲取在信噪比逐漸增加的情況下兩種技術的接收者誤碼率作為對比實驗數據。再比較三種方法的接收者誤碼率對比實驗數據。

2.2 實驗結果分析

在信噪比逐漸增加的情況下，本文技術與基于竊聽信道模型、基于概率分布函數的5G通信跨層安全傳輸技術的接收者誤碼率對比實驗數據具體如表1所示。

表1 接收者誤碼率對比實驗數據

根據表1的接收者誤碼率對比實驗數據可知，在信噪比逐漸增加的情況下，基于MIMO-OFDM的5G通信跨層安全傳輸技術的接收者誤碼率低于基于竊聽信道模型、基于概率分布函數的5G通信跨層安全傳輸技術的接收者誤碼率。

3 結 論

相比4G通信技術，5G通信在無線覆蓋性能、資源利用率以及數據傳輸速率等方面都實現了顯著的提升。此次提出基于MIMO-OFDM的5G通信跨層安全傳輸技術，有效降低了接收者誤碼率，對于5G通信技術的發展有很大意義。