5G 通信中的增強(qiáng)物理層安全信號處理技術(shù)

劉 蕊，劉宏嘉，王鑫炎

（1.中國聯(lián)通舟山分公司，浙江 舟山 316000；2.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司浙江省分公司，浙江 杭州 310053）

0 引言

隨著信息化的深入發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)越來越多，5G通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。但是，從實(shí)際情況來看，5G 通信技術(shù)中存在很多問題。例如，用戶在通信過程中存在被竊聽的風(fēng)險(xiǎn)，之前是利用網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行加密保護(hù)解決該問題，但是這種方式在秘鑰管理當(dāng)中仍然存在不足。而增強(qiáng)物理層安全信號處理技術(shù)可以有效解決竊聽問題，限制竊聽者的信號強(qiáng)度，因此應(yīng)該對5G 通信中的增強(qiáng)物理層安全信號處理技術(shù)進(jìn)行深入研究。

1 5G 移動通信技術(shù)的概念

隨著移動數(shù)據(jù)需求的不斷增長，4G 通信技術(shù)已經(jīng)無法滿足社會需求，所以相關(guān)人員研究出了5G 通信技術(shù)。5G 通信技術(shù)指的是第五代通信技術(shù)，屬于數(shù)字蜂窩移動通信技術(shù)，是對4G 通信技術(shù)的延伸。5G 通信技術(shù)的出現(xiàn)不僅提高了數(shù)據(jù)傳輸速率、節(jié)省了能源，而且降低了成本。例如，5G 通信技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率比4G 快近百倍，且網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間也比較短，在1 ms以內(nèi)，所以5G 通信技術(shù)的應(yīng)用范圍較為廣泛[1]。但是，5G 通信技術(shù)仍然沒有解決竊聽這一問題，用戶在通信過程中面臨被竊聽的風(fēng)險(xiǎn)，而只有增強(qiáng)物理層安全信號處理技術(shù)才能夠降低竊聽風(fēng)險(xiǎn)。

2 數(shù)據(jù)發(fā)射過程中的物理層安全信號處理技術(shù)

在應(yīng)用5G 移動通信技術(shù)時(shí)，如果不做好隱私保護(hù)工作以及信息加密工作就會威脅到用戶安全，當(dāng)前在數(shù)據(jù)發(fā)射階段常用波束賦形技術(shù)以及加入干擾信號技術(shù)這兩種信號處理技術(shù)相結(jié)合的方式，以增強(qiáng)信息安全性。

5G 移動通信技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率非常高，但是信號保護(hù)是5G 通信技術(shù)的弱點(diǎn)，隨著5G 通信技術(shù)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，5G 通信當(dāng)中的信號保護(hù)問題受到了廣泛關(guān)注。波束賦形技術(shù)是數(shù)據(jù)發(fā)射階段中的安全信號處理技術(shù)，又被稱之為空域?yàn)V波、波束成型，是利用傳感器定向發(fā)送信號和定向接收信號的信號處理技術(shù)[2]。這是一種常見的保護(hù)數(shù)據(jù)安全的技術(shù)，通常采用矩陣形式對數(shù)據(jù)流進(jìn)行重新排列組合。對數(shù)據(jù)流進(jìn)行重新分配就是預(yù)編碼，也就是說波束賦形屬于預(yù)編碼，但是波束賦形又比預(yù)編碼更為簡單，所以應(yīng)該合理應(yīng)用波束賦形技術(shù)，保護(hù)用戶的通信安全。但是當(dāng)前移動智能終端的數(shù)據(jù)處理能力比較低，僅利用波束賦形技術(shù)無法完全保障信息的安全性，仍然有可能會被破譯，所以在應(yīng)用這種技術(shù)時(shí)應(yīng)該綜合考慮實(shí)際情況并結(jié)合其他信號處理技術(shù)，從而保障信息安全。例如，可以將加入干擾信號這種處理技術(shù)和波束賦形技術(shù)結(jié)合起來。加入干擾信號主要是加入人工噪聲，即利用預(yù)編碼技術(shù)加入人工噪聲，這樣可以在保證干擾效果的基礎(chǔ)上削弱多用戶之間的干擾。應(yīng)用人工噪聲可以有效降低竊聽者的信道強(qiáng)度，但是在發(fā)射機(jī)功率等因素的影響下，如果應(yīng)用人工噪聲就會影響到數(shù)據(jù)的發(fā)射功率，因此需要做好數(shù)據(jù)信號以及人工噪聲這兩者的功率分配工作[3]。同時(shí)，還應(yīng)該平衡好數(shù)字信號以及人工噪聲信號之間的幅度，避免影響到數(shù)據(jù)信息的完整度。

3 信號處理過程中的物理層安全信號處理技術(shù)

若想從本質(zhì)上提高5G 通信技術(shù)中的信號安全性就需要在不同的階段采用不同的數(shù)據(jù)處理辦法，不僅要在數(shù)據(jù)發(fā)射階段中加強(qiáng)技術(shù)保護(hù)，也需要在信號處理過程中加強(qiáng)技術(shù)保護(hù)。當(dāng)前，信號處理過程常用的兩種解決方案分別是在攔截信號之后，對攔截者的信道進(jìn)行干擾的校正方案，另一種是能夠彌補(bǔ)第一種校正方案不足的雙向校正方案。

3.1 重復(fù)性的信號反饋與校正方案

在信號處理階段中應(yīng)用重復(fù)性的信號反饋與校正方案可以對攔截者的信道預(yù)判造成干擾。這種方式主要是利用發(fā)射端發(fā)射導(dǎo)頻訓(xùn)練信號以及人工噪聲，以對竊聽者的信道造成影響。

一旦攔截者將信號攔截下來之后，攔截者就會預(yù)判5G 通信網(wǎng)絡(luò)的信道，繼而盜取用戶信息，這樣就會對用戶的通信安全造成影響，因此需要對這個(gè)過程進(jìn)行干擾。而利用重復(fù)性信號反饋與校正能夠處理這一問題，但是這一過程十分復(fù)雜。首先，在發(fā)射信號時(shí)需要整合導(dǎo)頻序列，開啟預(yù)設(shè)的信號處理工序?qū)π盘栠M(jìn)行處理，經(jīng)過處理之后再將信號發(fā)送出去。其次，當(dāng)發(fā)射端接收到新的導(dǎo)頻序列時(shí)，需要增加人工噪聲干擾信號，并將人工噪聲干擾信號和導(dǎo)頻訓(xùn)練信號一同放在CSI 零空間當(dāng)中。CSI 零空間承擔(dān)著反饋目的端的數(shù)據(jù)信息這一重任，而目的端能夠阻滯智能信息，對竊聽者的信道造成強(qiáng)大干擾。最后，目的端會再次將信息反饋到發(fā)射端，發(fā)射端會綜合分析之前的結(jié)果，總結(jié)出一個(gè)完整的導(dǎo)頻序列，從而增強(qiáng)CSI 的精度[4]。將發(fā)射端、信道以及CSI 零空間三者結(jié)合在一起，能夠提高校正工作的效率。

3.2 雙向校正方案

重復(fù)性的信號反饋與校正方案需要重復(fù)多次進(jìn)行校正與反饋工作，會消耗大量的資源，增加成本，也會降低通信效率，而利用雙向校正方案能夠彌補(bǔ)重復(fù)性的信號反饋與校正方案的不足，因此應(yīng)該合理應(yīng)用雙向校正方案。雙向校正方案能夠?qū)崿F(xiàn)雙向的信號校正，提高信號校正的質(zhì)量。雙向校正方案涉及到了目的端，所以在這一方案當(dāng)中目的端也需要發(fā)送導(dǎo)頻訓(xùn)練信號。當(dāng)前，將雙向校正方案分為了兩種情形，一種是系統(tǒng)在時(shí)分多址中工作，一種是系統(tǒng)在頻分多址中工作。

（1）系統(tǒng)在時(shí)分多址中工作

在這種情形下，前向以及反向信道具有信道互易性。所以在第一階段（反向訓(xùn)練）中，目的端需要先將已知的訓(xùn)練信號發(fā)送到源端，然后源端會對信道信息進(jìn)行估計(jì)以及轉(zhuǎn)置，這樣就可以獲得目的端和源端之間的信道。此時(shí)，竊聽者無法估計(jì)出源端到竊聽者信道的信息，只能估計(jì)出從目的端到竊聽者信道的信息。在第二階段（前向訓(xùn)練）中，源端會將導(dǎo)頻信息發(fā)射到目的端，這一過程中加入的有人工噪聲，也能夠?qū)Ω`聽者造成干擾。

（2）系統(tǒng)在頻分多址中工作

在這種情形下前向信道和反向信道的工作頻點(diǎn)不同，所以信道不具有互易性，就需要加入一個(gè)“roundtrip”這種訓(xùn)練過程[5]。首先，在反向訓(xùn)練中，目的端會將已知信號發(fā)送給源端，源端會估計(jì)出反向信道。其次，需要加入“round-trip”這一訓(xùn)練過程。源端會選出一個(gè)訓(xùn)練信號，目的端會給發(fā)射機(jī)傳輸信號，這時(shí)源端就可以得到前向及反向信道。最后，源端會加入噪聲，然后再開展前向訓(xùn)練。

4 結(jié)論

增強(qiáng)物理層安全信號處理技術(shù)不僅可以增強(qiáng)數(shù)據(jù)發(fā)射階段的數(shù)據(jù)安全性，也可以增強(qiáng)信號處理過程中的數(shù)據(jù)安全性，因此應(yīng)該積極應(yīng)用波束賦形、雙向校正方案等方案。但是，當(dāng)前仍然沒有有效解決非完美CSI 以及多個(gè)竊聽者的情況，因此仍需加強(qiáng)研究。