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移動通信時會傳輸大量的信息，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移動通信所面臨的最大的安全問題。目前，在5G移動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，但隨著移動通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)達(dá)，現(xiàn)在5G移動通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，5G移動通信的數(shù)據(jù)傳輸問題再次得到社會各界人士的關(guān)注。數(shù)據(jù)編碼技術(shù)便是基于5G移動通信數(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)槟壳耙苿又悄芙K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，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移動通信技術(shù)時個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5G移動通信系統(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，攔截者會對移動通信網(wǎng)絡(luò)的信道加以預(yù)判，竊取個人信息。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，通過導(dǎo)頻序列的整合，啟動預(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