5G毫米波通信中的物理層安全預編碼

倪云云 陳伯慶 李剛

摘要：安全預編碼是一種信號處理技術，即發送端根據信道狀態信息設計預編碼矩陣，從而對信號進行預處理。該技術旨在保證合法用戶通信質量的前提下，惡化竊聽信道，在信息理論意義上實現無線通信系統的安全傳輸。認為物理層安全技術與移動通信的發展密不可分，利用毫米波信道稀疏特性開發物理層安全預編碼技術，有望實現5G通信與安全一體化發展。從長期角度為網絡優化部署提供指導，提升網絡流量水平，釋放流量增長潛力。

關鍵詞：5G；毫米波；物理層；安全通信；預編碼

Abstract： Secure precoding is a signal processing technique. Precoding matrix is designed at the transmitter to pre-process signal based on channel state information， aiming to ensure the communication quality for legitimate users and worsen the eavesdroppers channels. Secure transmission of wireless communication systems is realized in the sense of information theory. The physical layer security technology is inseparable from the development of mobile communication. By developing physical layer security precoding technology with millimeter-wave channel sparse characteristics， it is expected to realize the integrated development of 5G communication and security.

Keywords： 5G； millimeter wave； physical layer； secure communications； precoding

2019年6月6日，中國正式進入了5G商用階段。5G通信系統采用了大規模多輸入多輸出（Massive MI？ MO）、毫米波、非正交多址接入（NO？ MA）等關鍵技術[1]，將以超過千兆的比特率以及低于1 ms的延遲，滿足大容量、高速率、低延遲的通信需求。5G關鍵技術的發展不斷提升合法用戶的性能，但同時這些技術也可能會被竊聽者惡意利用，從而影響通信安全。5G通信中，不同場景下的用戶對于通信質量的需求各異，例如海量機器類通信（mMTC）、增強移動寬帶（eMBB）等場景下的用戶對無線業務的需求大相徑庭。我們需要針對不同場景下的用戶需求，并結合5G新技術和獨特的無線信道特性，研究相適的安全通信策略，以滿足5G通信中多場景、多等級的彈性安全需求。

相比于傳統安全機制，物理層安全（PLS）技術充分利用無線信道的時變性和多樣性，以及合法通信雙方信道的唯一性和互易性等內生安全特性[2]，保障比特流的安全傳輸，使比特流不依賴于傳統的密鑰便有望實現香農于1949年在《保密系統的通信理論》中提出的基于信息論意義上的“完美安全”[3]。傳統安全技術主要在上層實施，如數據鏈路層的認證機制和應用層的加密機制。PLS技術作為上層安全的有力補充，與傳統安全機制相輔相成，極大地增強整個通信系統的安全性能。

如圖1所示，PLS分為物理層認證、無密鑰安全技術和密鑰生成技術。物理層認證技術利用無線信道特性區分合法用戶和竊聽用戶，防范入侵者的假冒攻擊。無密鑰安全技術基于A.D.WYNER提出的竊聽信道模型[4]，在已知的信道狀態信息（CSI）指導下設計安全預編碼矩陣和安全信道編碼方案，以實現無密鑰安全。安全預編碼方案利用CSI設計預編碼矩陣，以最大化保密容量為目標設計優化問題并求最優解，實現合法用戶的安全通信。安全預編碼方案包括波束成形、人工噪聲以及天線子集選擇等。波束成形是通過設計預編碼矩陣調節發射天線陣列或其子陣列，將發送信號的能量集中到合法用戶方向，以提高合法用戶的信道條件，從而增強接收信號質量。人工噪聲利用無線信道以及噪聲內在的隨機性，使得合法用戶的信道質量優于竊聽者信道，以保證合法用戶的信噪比高于竊聽者，從而達到安全傳輸的目的。天線子集選擇在保證合法用戶正常接收信號的同時，擾亂竊聽者星座圖，使竊聽者無法準確解調信號。而物理層密鑰生成技術利用無線傳輸信道的互易性和唯一性，并根據通信雙方隨機變化的無線信道生成安全可靠的密鑰。物理層安全不需要特定的硬件系統，與上層結構相互獨立，易應用于現有的通信系統。物理層安全可以在5G及未來的無線通信領域發揮更大的作用。

15G毫米波無線信道特征分析

1.1毫米波頻段Massive MIMO信道分析

為了實現最高20 Gbit/s的網速，5G要將帶寬提高到1 GHz以上。目前，6 GHz以下已經沒有足夠的頻段了，因此5G使用了毫米波技術。毫米波頻段高、頻譜資源豐富，具有更高的信道容量。5G通信將在毫米波頻段獲得較高的通信帶寬，并采用基于大規模有源陣列天線的Massive MIMO技術來大幅提升接入網性能。毫米波通信在鏈路的收發端使用Massive MIMO，所具有的信道容量將遠遠超越香農公式中基于單輸入單輸出（SISO）系統所給出的信道容量限制。在Massive MIMO系統中引入波束成形技術，將波束集中到指定位置，不僅可以提高能量效率，還可以減少不同用戶之間通信的互相干擾，允許單一基站（BS）接入海量的設備，提升基站容量，實現“萬物互聯”。

在傳統的MIMO系統中，我們通常假設信道為瑞利衰落信道，并使用最小二乘法等進行信道估計，發射導頻序列的長度隨著MIMO信道矩陣的維度增加而增加。圖2的Massive MI？ MO系統模型實現了水平面的波束成形，還能夠利用更多的振子和信道實現垂直面的波束成形。毫米波Mas？ sive MIMO系統的信道估計，對計算能力要求更高。這使得導頻開銷增加，帶寬占用更多，系統吞吐量下降。不同于傳統的MIMO系統，毫米波Massive MIMO系統可以采用混合波束架構對信道數據進行檢測，一條射頻鏈路對應多根天線[5]。大量的毫米波信道測量表明，毫米波信道具有空間域稀疏的特性。利用空時傅里葉變換，毫米波Massive MIMO信道的稀疏性可以在波束域上得以體現。基于毫米波Massive MIMO信道的稀疏性，利用壓縮感知等技術可以有效地進行信道估計，并降低導頻開銷。

1.2毫米波頻段的信道稀疏性分析

毫米波通信頻段高、波長短，巨大的路徑損耗導致其呈現稀疏散射特性。Massive MIMO技術的使用，使得信道矩陣維度增大，因此傳統的瑞利信道模型并不適合毫米波信道建模。為此，研究人員提出了針對毫米波無線通信的信道模型——分簇射線（Cluster-Ray）模型[6]。

在毫米波通信中，我們利用分簇射線模型來描述毫米波信道：信道被表示為多個分簇，入射角相似的路徑歸為同一簇，毫米波信道包括視距（LOS）路徑和分簇中的非視距（NLOS）路徑。毫米波稀疏性信道如圖3所示。

波束空間信道矩陣Hb是天線域信道矩陣H的酉等價表示，即Hb是信道H在傅里葉正交集上的投影。經過轉換之后可以發現，Hb中只有個別元素的值較大，這些元素包含了信道的大部分功率，所以波束空間矩陣Hb呈現出明顯的稀疏特性。

在毫米波Massive MIMO系統中，基于毫米波信道在角度域上的稀疏性，可利用壓縮感知技術進行信道估計，以降低導頻開銷。

1.3多用戶毫米波MIMO預編碼

在多用戶MIMO系統中，利用空分復用接入（SDMA）技術可以使系統獲取更高的信道容量。毫米波多用戶MIMO系統可以在相同的時頻資源上與多個用戶同時通信，并且發送多個數據流，極大地提升了系統的總頻譜效率，而且可以通過高波束成形增益提高傳輸的可靠性。毫米波多用戶MIMO系統通常只需在發射端配置Massive MIMO陣列，因此接收端用戶采用傳統MIMO多天線即可。這不僅可以充分利用空間資源，提升系統容量，還可以有效地降低成本和復雜度。

圖4為多用戶MIMO系統模型。MIMO系統能夠充分利用空間自由度，基站端有多根天線用于信號傳輸，卻不要求接收端有多天線。發送端發射信號后經過預編碼矩陣處理，將信號發送給接收端，接收端進行信號解調并獲取有效信息。多用戶MI？ MO系統中的預編碼方案可以按照干擾信號處理的方式分為基于干擾抑制和基于干擾抵消的預編碼方案。通過發射端的預編碼處理，可以有效地消除多用戶間的干擾，提升系統保密容量；還可以減少接收端的解調難度，解決移動端的功耗和體積問題。

2毫米波安全預編碼

2.1經典竊聽信道模型

1975年，A.D.WYNER提出了竊聽信道模型。在該模型中，假設竊聽信道為退化的合法信道，從而保證非負的保密能力。在合法信道質量優于竊聽信道時，總存在一種編碼方式，使得合法接收端在正確解調的情況下，實現信息的安全傳輸[7]；而當竊聽信道質量優于合法信道時，則需要引入人工噪聲技術，惡化竊聽信道質量，保證數據安全傳輸。

2.2數模混合預編碼

無線通信中的安全問題可以轉化為通信資源的分配和挖掘問題，安全能力的增強來自于通信能力的提升和通信資源的有效利用。為了挖掘空間自由度，并且能更有效地利用發送端能量，移動通信采用MIMO系統來提高物理層鏈路性能。5G通信中Massive MIMO技術帶來的天線陣列增益可以彌補毫米波傳輸過程中的高路徑損耗。

傳統的MIMO系統通常采用數字預編碼方案，在基帶使用預編碼矩陣對信號進行預處理。這要求每根天線單元有單獨的射頻（RF）鏈路，包括放大器、濾波器和模數轉換器（ADC）/數模轉換器（DAC）等器件，為系統帶來空間復用及分集增益。在數字預編碼方案中，信號的幅度和相位可以靈活設置，從而提升通信效率。但在Massive MIMO系統中，使用全數字預編碼方案會產生高昂的硬件成本和功耗，因此在5G通信中的預編碼方案設計里，我們一般不考慮采用全數字預編碼方案。模擬預編碼技術指使用預編碼矩陣在RF端改變信號的相位，并通過低成本、低功耗的移相器完成相位的控制，因此從經濟效益的角度考慮，模擬預編碼方案更受歡迎。但由于缺乏對幅度的控制，模擬預編碼的性能比數字預編碼差。為了在獲得天線增益的同時減少成本支出，可通過少量的射頻鏈連接基帶預編碼與射頻預編碼，采用數模混合架構進行無線信道的數據發射與檢測[8]。

2.3波束成形

波束成形是一種經典的多天線技術，通過調整發送天線權重系數，使天線主瓣對準合法接收用戶，從而減少信號泄露。波束成形提高合法用戶的信噪比，并降低潛在竊聽者的信噪比，提升系統安全容量。

圖7為Massive MIMO系統。Massive MIMO系統中的天線陣列為實現定向波束而部署，它可以利用波陣面相干疊加原理在指定方向增強波束，在其他位置削弱波束強度，從而增加信道容量。

文獻[10]研究了毫米波MIMOME系統的數模混合預編碼，在已知竊聽者CSI的情況下，提出模擬預編碼器和組合器的聯合設計以防止信息泄露，并基于等效基帶信道計算數字預編碼器和組合器以最大化安全速率。文獻[11]提出，在毫米波MISO系統中，可以使用離散角域信道模型來分析信道路徑，以獲得目標用戶和竊聽者間公共信道路徑數目的概率分布函數，推導出最大比傳輸（MRT）連接概率的閉合表達式，并分析主動和被動竊聽者場景下的保密中斷概率。在MISOSE系統中，文獻[12]提出，使用相控陣傳輸結構，并利用復平面中的多邊構造解決星座合成問題，以符號速率改變傳輸權重向量，從而在接收端獲得預期的相位，并在竊聽者處產生隨機性。額外的隨機相位旋轉添加至發送權重向量中，在不顯著降低接收端符號檢測的可靠性的前提下，給竊聽者造成干擾。同樣，在MISOSE系統中，文獻[13]創建了由傳統相控陣和可編程功率放大器組成的可編程加權相控陣（PWPA）結構，在此基礎上提出反置天線子空間傳輸技術和優化加權天線子空間傳輸技術，利用天線陣列的幅值權重擾亂非預期方向的星座圖，并在非預期方向產生人工噪聲。PWPA增加了攻擊者向量估計的難度，從而提升系統的安全性能。

在隨機幾何架構中的毫米波/微波異構網中，文獻[14]基于隨機阻塞模型和固定視距模型，分析節點位置和阻塞模型的不確定性，描述保密中斷概率和條件鏈接概率，推導出LOS和NLOS下的條件保密中斷概率的上下限，利用阻塞提升系統保密性能。在竊聽者隨機分布的場景中，文獻[15]結合毫米波信道特性，推導隨機阻塞和保密中斷概率的閉合表達式，并分析不同參數對保密性能的影響。

合理的波束成形方案可將主波束對準合法用戶，提高了信噪比，優化了數據傳輸速率。同時，還可以限制竊聽者的接收信號功率，弱化其竊聽能力。但是，波束成形方案需要知道竊聽信道狀態信息或者其他反饋信息，這在現實中往往很難實現。

2.4人工噪聲

人工噪聲技術指基站端在傳輸信號的同時犧牲一部分發送功率，生成額外的干擾信號。將人工噪聲對準合法信道的零空間，該干擾信號僅作用于竊聽者，從而可以降低竊聽者的信噪比，惡化竊聽信道質量，同時不會影響合法用戶間的通信。

圖8為5G通信中的單基站多用戶模型。在單基站多用戶通信過程中，基站端與合法用戶間進行正常的信號傳輸。基站端可以分出部分功率，向竊聽者發射人工噪聲干擾信號。利用CSI設計人工噪聲矩陣，并將其投影到合法用戶的零空間，可以干擾竊聽信道條件，降低竊聽者信噪比，從而使得保密容量非負，減少信號泄露。

文獻[11]研究了MISO毫米波系統的物理層安全，用空間可分解路徑來表示離散角信道模型，并推導出人工噪聲方法連接概率的閉合表達式。在保密中斷概率的約束下，最大化保密吞吐量，并獲得人工噪聲與信號間的功率分配參數。文獻[16]研究毫米波車聯網通信，通過混合波束成形將信號發送給接收方，向目標方向發射人工噪聲。相比于傳統向所有非預期方向發射人工噪聲的方法，該方案可以避免向非竊聽方向發送噪聲。

在毫米波MIMOSE系統中，在竊聽者CSI未知的情況下，文獻[17]研究基于人工噪聲的混合波束成形方案。該方案可在中斷竊聽者接收信息的同時，將接收端的服務質量維持在預期水平。

文獻[18]研究了毫米波系統慢衰落信道的安全傳輸，并在假設發送端已知部分竊聽CSI的情況下，提出了基于合法用戶和竊聽者路徑方向的人工噪聲傳輸策略。通過開關傳輸方案，并在保密速率的約束下，最小化保密中斷概率，同時推導了傳輸信號與人工噪聲間最優功率分配的閉合表達式。

基于人工噪聲的安全傳輸技術，并通過生成干擾信號來擾亂竊聽信道，可使得合法用戶信道質量優于竊聽信道質量，從而實現物理層安全通信。人工噪聲技術適用于頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）系統，其方案設計需要了解精確的合法戶CSI，從而消除對合法用戶的干擾。若人工噪聲方案設計不當，可能會降低合法接收端的性能，甚至導致接收信號峰均比增大。

2.5天線子集選擇

天線子集選擇是在保證合法用戶正確解調信號的前提下，擾亂竊聽者星座圖，使其接收信號的幅度相位發生隨機旋轉并產生畸變，無法正確解調信號，從而降低接收信號的信噪比。

文獻[19]提出，如果發送端能獲得合法接收端和竊聽者的CSI，則可以選擇安全容量最大的一根天線來傳輸信號；如果僅知道合法接收端的CSI，則可以選擇使合法信道容量最大的天線來傳輸信號。文獻[20]提出一種基于點對點通信系統的低復雜度定向調制技術。通過驅動陣列中的一部分天線以符號速率調制輻射方向圖，在所需方向上投射出清晰的星座圖，并在其他方向上生成隨機星座圖。文中，我們給出兩種天線選擇算法：隨機天線子集選擇與模擬退火天線子集選擇。隨機天線子集選擇不會影響合法用戶方向接收器的符號解調，但會隨機化旁瓣方向竊聽者的接收信號幅度和相位。而基于模擬退火的天線子集選擇優化算法，可以克服隨機天線子集選擇中旁瓣較大的問題，減少能量泄漏。文獻[16]提出一種用于車聯網毫米波通信系統的物理層安全方案。在單射頻鏈路天線陣系統中，該方案能夠隨機選擇天線子集進行模擬預編碼。同時，該方案可以將信息符號發送到目標接收器，剩余的所有天線向非目標方向發送噪聲。系統中沒有閑置天線，竊聽者無法消除旁瓣失真。

天線子集選擇通過控制天線的開-關來擾亂竊聽者星座圖，但對合法用戶并沒有影響。此方案需要以符號速率控制開關，實現困難。

3結束語

傳統基于密碼學的加密機制已經無法滿足5G通信時代下日益增長的安全需求。PLS技術采用信號處理和編碼技術來增強5G移動通信系統的保密性，而不依賴于密鑰的計算復雜度。安全預編碼技術利用無線信道的內生安全屬性，實現基于用戶位置的安全傳輸。利用波束成形、人工降噪和天線子集選擇等安全預編碼方案，能夠拉大合法用戶與竊聽者的信道容量差距，從而提高5G移動通信系統的保密性能。PLS技術與移動通信的發展密不可分，利用毫米波信道稀疏特性開發物理層安全預編碼技術，有望實現5G通信與安全一體化發展。

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作者簡介

倪云云，南京郵電大學物聯網學院在讀碩士研究生；主要研究領域為物理層安全預編碼技術、機器學習等。

陳伯慶，南京郵電大學計算機學院在讀博士研究生；主要研究領域為毫米波通信系統物理層安全技術；申請發明專利2項。

李剛，中興通訊股份有限公司高級工程師、5G研發總工，深圳市國家級領軍人才；從事CDMA/WiMAX/LTE/Pre5 G/5G等產品的技術方案設計、架構設計和研發管理工作；發表論文5篇，申請發明專利15項。