毫米波無線通信物理層安全傳輸技術研究

胡 軍

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

根據無線信道本身的開放性和電磁波的無線特性，為了提高通信的安全水平和便捷性，需要建構完整的安全傳輸技術方案，從物理層安全信息管理的角度匹配相應的密鑰處理模式。

1 毫米波通信信道系統概述

在互聯網技術不斷發展的時代背景下，人們信息交互的頻率在不斷增大，3 GHz以下的頻率資源應用和交互結構較為擁擠，為了提高信道應用的綜合質量水平，毫米波到了廣泛應用，其適用于5G系統的信號傳輸工作。毫米波能提供較好的傳輸效率，為移動通信高速率和低延遲處理模式提供保障，而且還能有效建構滿足通信標準的信息交互體系。此外，毫米波還能提高通信系統的頻譜資源利用率，維持系統可行性的同時，配合移動蜂窩通信進行多元處理。例如，自動駕駛技術能將毫米波應用于車輛內部網絡體系中，憑借車載多節點處理模式維持較好的傳播應用效果[1]。

1.1 毫米波通信信道特點

（1）頻譜較寬。能配合不同的復用技術建立完整的信道傳遞模式，并且基于其頻率高的特性能大大提高信道的應用容量，被廣泛應用于高速多媒體傳輸業務。

（2）可靠性較高。由于頻率較高，毫米波受到的外界干擾較少，可以大大提升其應用質量，在較為惡劣的環境中依舊能表現出較好的應用狀態，為傳輸信道的穩定提供了保障。

（3）方向性較好。傳輸波束較窄，一定程度上降低了被竊聽的概率，對于通信傳輸安全管理具有重要意義，在短距離點對點通信模式中能發揮良好的應用價值。

（4）波長較短。無需配置大尺寸天線，有效提升了資源的利用率，在空間較小的環境中利用集成大規模天線陣就能完成安全網絡結構的架設處理[2]。

（5）在實際應用中配合預編碼處理模式，能在能量效率和頻譜效率提高方面發揮毫米波的時效性應用價值。

基于其信道特點，毫米波在自由空間內傳播時路徑損耗較大，反射后的能量會出現較大的衰減，這也使得毫米波通信的信道較為稀疏。

1.2 毫米波通信信道模型

在毫米波通信技術建立和應用過程中，為了維持其應用水平，要結合實際情況完善通信信道模型的處理工作。系統中通信信號的空間選擇性和分散性都是關鍵，且受到毫米波通信自由空間損耗等的限制，因此需要制定規模化的天線陣節點處理方案，有效建立獨立分布的衰落信道模型，依據多徑傳播效應、射簇現象以及時間擴散等綜合考量信道模型的應用價值[3]。

相較于微波頻段，毫米波通信信道模型的密集度不足，存在一定的稀疏性。如果利用發射信號進行處理，則對應的發射內容基本都集中在少數傳播路徑上，此時就會形成分簇信道模型。散射簇信道模型是毫米波通信信道應用處理的關鍵，結合發射角和到達角的分布進行綜合處理，匹配應用框架，并結合信道測量結果實現能量方位分布控制，全方位維持能量的傳輸效果，確保方位角功率譜標準差應用的規范性。此外，毫米波通信結合MIMO技術，匹配天線陣列結構，就能從安全容量和預編碼兩個方面完善相應的技術方案，為安全通信提供保障[4]。

2 毫米波無線通信物理層安全傳輸技術內容

從毫米波無線通信物理層安全傳輸技術入手，將安全性和信號傳輸穩定性作為信道研究的關鍵，有效評估具體內容，并綜合分析安全信息和數據，從而建構最優的無線通信信道體系。

2.1 人工噪聲安全傳輸技術

在建立基礎毫米波通信信道結構匹配模型后，提出基于人工噪聲的自適應傳輸方案，以維持整體運行和信息傳輸的安全性，具體結構見圖1。

圖1 傳輸結構示意圖

由圖1可知，在配置對應大規模天線陣網絡節點的基礎上，合法接收者Bob能獲取主信道的基礎信息，而此時竊聽者Eve也會配置對應的天線利用竊聽信道獲取信息。為了保證信息的安全性，發送端Alice要在信息發送過程中將發送信息的對應信號和人工噪聲信號進行相應處理，實現有效的信息傳遞。

2.1.1 信道傳輸基礎

選取毫米波作為信道傳輸基本介質的主要原因是其穩定性和抗干擾性較好。將信道的矩陣結構表示為：

式中，N1c表示的是多數簇對應數量的傳輸路徑，N1r表示的是單一數量簇對應的傳輸路徑，Nt則表示發射天線的具體數量，?表示發射端到接收端的路徑損耗平均數值，a(Θlc,lr)表示發射角歸一化陳列響應向量[5]。若傳輸過程中有且僅有一簇傳輸信號概率最大，只有將大部分發射信號的功率都集中在某一個特定簇結構上，才能實現安全傳輸處理。

2.1.2 具體技術應用方案

首先，明確具體的優化指標，結合編碼要求計算冗余速率，依據信道容量采取瞬時CSI應用方案，滿足固定條件后就能獲取發射端的發射信息。由此可知，在安全終端概率滿足一定閾值參數后，才能維持較好的安全吞吐量，確保整體應用效果最優[6]。

其次，在常規化人工噪聲方案中，發射端處理竊聽問題時會將人工噪聲直接均勻地輻射到主信道的零空間內，從而干擾竊聽者獲取信息。然而利用大規模天線陣模式時，主信道的零空間計算模式較為復雜，為了充分發揮毫米波信道特性的優勢，就要依據矩陣結構選取獨自傳播數據流，然后完成列向量的處理，有效獨立覆蓋竊聽傳播區域，并結合竊聽信噪比完成干擾處理。

最后，結合實際應用環境評估分析安全吞吐量，對滿足傳輸條件的主信道進行信道增益處理，從而保證調節傳輸參數能維持安全速率最大值，并有效優化吞吐量安全速率。用累計分布函數對竊聽者的信噪比進行處理，保證信道增益的同時，滿足安全約束條件。

基于人工噪聲安全傳輸技術建立多徑傳播自適應傳輸方案和安全性能處理體系，在全面分析安全約束條件的基礎上評估安全吞吐量，保證最優化功率分配因子的合理性，從而滿足管控基礎[7]。此外，根據毫米波的傳播特性，結合離散角度域的信道模型進行傳輸空間路徑的解析處理，避免出現合法接收者和竊聽者信息空間混淆的問題，最大程度提高毫米波通信傳輸的安全性。

2.2 基于RF預編碼的安全傳輸技術

隨著計算機技術的不斷發展，基于通斷策略的自適應傳輸方案也能有效匹配目標函數完成安全吞吐量的評估。結合RF預編碼技術能有效發揮毫米波波長較短的優勢，維持收發機配置天線處理應用模式。傳統的微波通信結構中，天線數目有限，一般借助數字預編碼控制器分析信號幅值后再選取適宜的信道模式，這種方式最大的弊端就是每一個數字預編碼器只能使用一根天線對應一個射頻鏈路的方式。而在毫米信號應用中，天線的規模全面擴大，此時配置較多的獨立鏈路會耗費較高的成本，這就需要結合毫米波通信安全應用要求，維持狀態信息和信道信息的平衡，從而提升安全性能[8]。

2.2.1 系統信道模型

在毫米波系統信道模型建立和應用的過程中，相較于傳統技術體系，其發射端配置大規模天線陣節點處理機制，能有效提高空間利用效率，并且無需額外的發送功率和帶寬就能有效增加系統的基礎信道容量。匹配正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）能建構子載波間的正交處理模式，確保頻譜資源利用率符合要求。此外，在建立RF鏈路結構后，依據RF預編碼器能獲取全鏈路的性能內容。毫米波通信載頻較寬，能有效解決頻率選擇性衰落的問題，最大程度降低多徑效應產生的不良影響[9]。

2.2.2 系統應用

OFDM在應用過程中，能借助差異化頻率維度完成信道的處理和劃分，獲取不同的正交子信道，并結合低速并行的子載波應用模式維持數據運行的合理性。不同子載波頻譜存在一定的交疊性，分別對子信道進行差異化調制，從而有效減少信號波形受到的影響。建立MISO-OFDM系統平臺，利用技術方案有效提高數據傳輸的實效性，并提高頻譜的利用率。依據最大安全速率進行RF預編碼處理，根據不同指標制定不同的設計方案，確保選擇性衰落信道RF標準符合實際要求，選取優化目標后完成全部信道和部分信道的交叉處理[10]。

3 結 論

無線通信技術的全面發展給人們的生產生活帶來了較為深遠的影響，為了提升信息傳輸的安全性和規范性，結合具體的技術內容從毫米波無線通信物理層安全傳輸技術應用角度出發，匹配較好的資源管理機制，減少信道竊聽問題造成的不良影響。