通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)運(yùn)用探討

高啟學(xué)

（安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)全球化，世界各國(guó)之間交流越來越頻繁。特別是電子通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進(jìn)步，促生了互聯(lián)網(wǎng)爆發(fā)式增長(zhǎng)。通過網(wǎng)絡(luò)，不同國(guó)家、不同區(qū)域的人們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了便捷交流。但是，通信網(wǎng)絡(luò)在給人類帶來方便的同時(shí)，信息安全也面臨著一些風(fēng)險(xiǎn)，如網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)、日益增加的數(shù)據(jù)帶寬等問題。因此，需要進(jìn)一步開展通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究。

1 通信網(wǎng)絡(luò)概述

移動(dòng)通信、光纖通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)方興未艾，直接把人類推進(jìn)了互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，通信產(chǎn)業(yè)已發(fā)展成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)。我國(guó)通信產(chǎn)業(yè)厚積薄發(fā)，已經(jīng)建成世界最大、基本覆蓋全國(guó)的通信網(wǎng)絡(luò)，包括固定接入網(wǎng)、移動(dòng)通信技網(wǎng)技術(shù)和衛(wèi)星通信網(wǎng)等，尤其是在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)方面，我國(guó)已經(jīng)走在世界前列[1]。

2 通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

1948年，香農(nóng)在經(jīng)典的《通信的數(shù)學(xué)原理》中，第一次給出了通信容量計(jì)算公式，論證了通信容量和占用帶寬之間的關(guān)系。迄今為止，在信息傳輸方面，主要瓶頸依然表現(xiàn)在有限頻譜內(nèi)如何不斷提升傳輸容量。為此，人們積極開展相關(guān)的通信關(guān)鍵技術(shù)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(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)、大容量衛(wèi)星通信系統(tǒng)[2]以及有著革命意義的量子通信技術(shù)等，都是當(dāng)下備受關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 微波寬帶傳輸

微波通信技術(shù)是移動(dòng)通信的基礎(chǔ)。從2G、3G到現(xiàn)在的4G移動(dòng)時(shí)代，背后是微波傳輸能力的不斷提升。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)寬帶、高速傳輸，必須不斷研發(fā)新的通信技術(shù)，如受到廣泛關(guān)注的正交頻分復(fù)用（OFDM）調(diào)制技術(shù)。OFDM技術(shù)和傳統(tǒng)意義上微波點(diǎn)頻傳輸方式不同，如圖1所示。它采用多載波調(diào)制，基本原理是將需要發(fā)送高速串行數(shù)據(jù)流分散調(diào)制在多個(gè)子載波上。OFDM信號(hào)中，多個(gè)子載波之間保持正交關(guān)系。解調(diào)時(shí)，借助各子載波頻率間的正交關(guān)系，實(shí)現(xiàn)每路信號(hào)的分離[3]。OFDM技術(shù)不僅可有效提高微波信號(hào)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(shù)除了應(yīng)用在4G移動(dòng)通信領(lǐng)域，也是5G通信深入研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。此外，微波超寬帶技術(shù)（UWB）也是有效提升傳輸容量的一種新型通信技術(shù)。如圖2所示，和常規(guī)窄帶信號(hào)調(diào)制方式不同，它采用多組窄脈沖信號(hào)對(duì)所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)直接進(jìn)行調(diào)制。微波超寬帶技術(shù)改變了傳統(tǒng)意義上中頻、射頻等多級(jí)調(diào)制方式，不僅設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，而且理論上能夠?qū)崿F(xiàn)吉赫茲量級(jí)的數(shù)據(jù)傳輸帶寬。我國(guó)“十五”863計(jì)劃通信技術(shù)主題研究項(xiàng)目中，已經(jīng)明確把超寬帶無線通信關(guān)鍵技術(shù)及其共存與兼容技術(shù)作為無線通信共性技術(shù)與創(chuàng)新技術(shù)的研究?jī)?nèi)容。

圖1 傳統(tǒng)信號(hào)頻譜和OFDM信號(hào)頻譜

圖2 傳統(tǒng)調(diào)制信號(hào)和超寬帶調(diào)制信號(hào)頻譜比較

2.2 網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)技術(shù)

為保障信息使用安全，我國(guó)相繼發(fā)布了《國(guó)家信息化領(lǐng)導(dǎo)小組關(guān)于加強(qiáng)信息安全保障工作的意見》《2006—2020 年國(guó)家信息化發(fā)展戰(zhàn)略》等文件，指導(dǎo)基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)和重要信息系統(tǒng)的安全保障體系建設(shè)[4]。網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，僅安全防護(hù)方面就涉及到訪問控制技術(shù)、病毒防范技術(shù)、入侵檢測(cè)技術(shù)、數(shù)據(jù)加密技術(shù)和備份與恢復(fù)技術(shù)等。因此，網(wǎng)絡(luò)信息安全建設(shè)需要從不同角度、層次和維度進(jìn)行針對(duì)性分析，建立分層維、分域維、分級(jí)維和分時(shí)維4個(gè)維度的信息安全技術(shù)體系結(jié)構(gòu)[5]，如圖3所示。

圖3 信息安全技術(shù)體系結(jié)構(gòu)圖

分層維是指根據(jù)不同層面采取相應(yīng)的安全措施，針對(duì)物理層、系統(tǒng)層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和管理層的安全問題逐層進(jìn)行處理，逐層防護(hù)。分域維是指根據(jù)不同使用范圍進(jìn)行的區(qū)域劃分。不同的使用區(qū)域采取不同的安全保護(hù)措施，進(jìn)行分域保護(hù)。分級(jí)維是指根據(jù)信息安全重要程度進(jìn)行的等級(jí)劃分，不同的等級(jí)采取相對(duì)應(yīng)的防護(hù)技術(shù)。時(shí)間維是指根據(jù)信息安全的時(shí)效性進(jìn)行的階段劃分。事實(shí)上，四維網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)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(wǎng)絡(luò)安全威脅，有助于發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。

2.3 衛(wèi)星通信技術(shù)

衛(wèi)星通信以其全天候、覆蓋面廣等難以比擬的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為通信領(lǐng)域不可或缺的重要組成部分。我國(guó)目前也大力發(fā)展衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)，除北斗導(dǎo)航系統(tǒng)外，還在積極研發(fā)“天通”“鴻雁”等移動(dòng)通信衛(wèi)星。但是，衛(wèi)星通信存在著容量較小、傳輸時(shí)延較長(zhǎng)以及使用壽命較短等缺點(diǎn)，需要進(jìn)一步采取技術(shù)措施開展關(guān)鍵技術(shù)，如多波束天線、星上處理和星地融合等技術(shù)，以提升衛(wèi)星通信的整體水平。

多波束天線（Multiple Beam Antenna）采用智能天線技術(shù)將傳輸帶寬分為若干子頻段，每個(gè)子波段使用點(diǎn)波束進(jìn)行獨(dú)立傳輸，因而即能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的區(qū)域覆蓋，又可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)子波段的復(fù)用。這種工作方式與地面蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)相似，顯著增加了頻譜利用率和衛(wèi)星通信容量[6]。星上處理技術(shù)是指星上數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)星上IP交換，如ATM交換、IP交換或電路交換等，使衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面互聯(lián)網(wǎng)的融合變得簡(jiǎn)單和方便[7]。星地融合技術(shù)是針對(duì)長(zhǎng)期以來地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)各自獨(dú)立工作狀態(tài)而開發(fā)的，能夠充分有效利用雙方優(yōu)勢(shì)，克服雙方劣勢(shì)，幫助衛(wèi)星通信進(jìn)入主流市場(chǎng)。通過組建星地融合通信網(wǎng)絡(luò)，開啟了真正無所不在的移動(dòng)衛(wèi)星通信[8]。此外，為了適應(yīng)不斷增加傳輸帶寬要求，衛(wèi)星通信轉(zhuǎn)發(fā)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(kuò)展。

3 量子通信技術(shù)

量子通信是未來信息通信行業(yè)的一個(gè)新興戰(zhàn)略性制高點(diǎn)，而我國(guó)在量子通信研究和應(yīng)用方面已經(jīng)走在世界前列。隨著我國(guó)“京滬干線”保密通信網(wǎng)建設(shè)和“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星順利升空，量子通信獲得了越來越多的關(guān)注和重視。和任何經(jīng)典通信安全保障技術(shù)完全不同，量子通信是至今為止唯一得到嚴(yán)格證明的、能從原理上確保無條件安全的通信技術(shù)[9]。

正如物質(zhì)是由分子、原子構(gòu)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(xué)規(guī)律運(yùn)動(dòng)，這些粒子便會(huì)處于量子態(tài)，被稱之為量子（目前量子都是光量子）。量子自身有以下特點(diǎn)：一是具有不可測(cè)量性和復(fù)制性，無論采用何種方式對(duì)量子進(jìn)行測(cè)量，都會(huì)改變量子狀態(tài)；二是其量子態(tài)豐富，不同于傳統(tǒng)的數(shù)字通信基礎(chǔ)碼元不是1就是0兩種狀態(tài)，量子可以處于多個(gè)狀態(tài)的疊加態(tài)[10]；三是量子糾纏，兩個(gè)相互糾纏的量子之間存在某種關(guān)聯(lián)，無論它們相距多遠(yuǎn)，其中的一個(gè)量子狀態(tài)發(fā)生變化，另一個(gè)必然瞬間隨之變化（狀態(tài)塌陷）。量子通信是利用量子態(tài)和量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息或密鑰傳輸?shù)男滦屯ㄐ欧绞絒11]?；诹孔用荑€分發(fā)的量子通信原理如圖4所示，通過單光子量子態(tài)的制備、傳輸、測(cè)量和經(jīng)典通信協(xié)議處理，實(shí)現(xiàn)通信雙方之間的量子密鑰共享，再結(jié)合一字一密的對(duì)稱加密體制，理論上可實(shí)現(xiàn)絕對(duì)安全的量子通信[12]。

圖4 量子通信基本原理示意圖

4 結(jié) 論

經(jīng)過短短幾十年的發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)成為電子通信、網(wǎng)絡(luò)的使用大國(guó)，但是相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)水平與最先進(jìn)國(guó)家仍尚存一定差距。如何加強(qiáng)通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，提高通信能力，確保網(wǎng)絡(luò)信息安全，是我國(guó)面臨的現(xiàn)實(shí)問題，需要進(jìn)行不懈努力。

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