毫米波無線通信物理層安全傳輸技術(shù)研究

胡 軍

（中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

根據(jù)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(gòu)完整的安全傳輸技術(shù)方案，從物理層安全信息管理的角度匹配相應(yīng)的密鑰處理模式。

1 毫米波通信信道系統(tǒng)概述

在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展的時(shí)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(yīng)用和交互結(jié)構(gòu)較為擁擠，為了提高信道應(yīng)用的綜合質(zhì)量水平，毫米波到了廣泛應(yīng)用，其適用于5G系統(tǒng)的信號(hào)傳輸工作。毫米波能提供較好的傳輸效率，為移動(dòng)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(gòu)滿足通信標(biāo)準(zhǔn)的信息交互體系。此外，毫米波還能提高通信系統(tǒng)的頻譜資源利用率，維持系統(tǒng)可行性的同時(shí)，配合移動(dòng)蜂窩通信進(jìn)行多元處理。例如，自動(dòng)駕駛技術(shù)能將毫米波應(yīng)用于車輛內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)體系中，憑借車載多節(jié)點(diǎn)處理模式維持較好的傳播應(yīng)用效果[1]。

1.1 毫米波通信信道特點(diǎn)

（1）頻譜較寬。能配合不同的復(fù)用技術(shù)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(yīng)用容量，被廣泛應(yīng)用于高速多媒體傳輸業(yè)務(wù)。

（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(yīng)用質(zhì)量，在較為惡劣的環(huán)境中依舊能表現(xiàn)出較好的應(yīng)用狀態(tài)，為傳輸信道的穩(wěn)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(duì)于通信傳輸安全管理具有重要意義，在短距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模式中能發(fā)揮良好的應(yīng)用價(jià)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(huán)境中利用集成大規(guī)模天線陣就能完成安全網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的架設(shè)處理[2]。

（5）在實(shí)際應(yīng)用中配合預(yù)編碼處理模式，能在能量效率和頻譜效率提高方面發(fā)揮毫米波的時(shí)效性應(yīng)用價(jià)值。

基于其信道特點(diǎn)，毫米波在自由空間內(nèi)傳播時(shí)路徑損耗較大，反射后的能量會(huì)出現(xiàn)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(shù)建立和應(yīng)用過程中，為了維持其應(yīng)用水平，要結(jié)合實(shí)際情況完善通信信道模型的處理工作。系統(tǒng)中通信信號(hào)的空間選擇性和分散性都是關(guān)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(guī)模化的天線陣節(jié)點(diǎn)處理方案，有效建立獨(dú)立分布的衰落信道模型，依據(jù)多徑傳播效應(yīng)、射簇現(xiàn)象以及時(shí)間擴(kuò)散等綜合考量信道模型的應(yīng)用價(jià)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(fā)射信號(hào)進(jìn)行處理，則對(duì)應(yīng)的發(fā)射內(nèi)容基本都集中在少數(shù)傳播路徑上，此時(shí)就會(huì)形成分簇信道模型。散射簇信道模型是毫米波通信信道應(yīng)用處理的關(guān)鍵，結(jié)合發(fā)射角和到達(dá)角的分布進(jìn)行綜合處理，匹配應(yīng)用框架，并結(jié)合信道測(cè)量結(jié)果實(shí)現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)用的規(guī)范性。此外，毫米波通信結(jié)合MIMO技術(shù)，匹配天線陣列結(jié)構(gòu)，就能從安全容量和預(yù)編碼兩個(gè)方面完善相應(yīng)的技術(shù)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(shù)內(nèi)容

從毫米波無線通信物理層安全傳輸技術(shù)入手，將安全性和信號(hào)傳輸穩(wěn)定性作為信道研究的關(guān)鍵，有效評(píng)估具體內(nèi)容，并綜合分析安全信息和數(shù)據(jù)，從而建構(gòu)最優(yōu)的無線通信信道體系。

2.1 人工噪聲安全傳輸技術(shù)

在建立基礎(chǔ)毫米波通信信道結(jié)構(gòu)匹配模型后，提出基于人工噪聲的自適應(yīng)傳輸方案，以維持整體運(yùn)行和信息傳輸?shù)陌踩?，具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 傳輸結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可知，在配置對(duì)應(yīng)大規(guī)模天線陣網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，合法接收者Bob能獲取主信道的基礎(chǔ)信息，而此時(shí)竊聽者Eve也會(huì)配置對(duì)應(yīng)的天線利用竊聽信道獲取信息。為了保證信息的安全性，發(fā)送端Alice要在信息發(fā)送過程中將發(fā)送信息的對(duì)應(yīng)信號(hào)和人工噪聲信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理，實(shí)現(xiàn)有效的信息傳遞。

2.1.1 信道傳輸基礎(chǔ)

選取毫米波作為信道傳輸基本介質(zhì)的主要原因是其穩(wěn)定性和抗干擾性較好。將信道的矩陣結(jié)構(gòu)表示為：

式中，N1c表示的是多數(shù)簇對(duì)應(yīng)數(shù)量的傳輸路徑，N1r表示的是單一數(shù)量簇對(duì)應(yīng)的傳輸路徑，Nt則表示發(fā)射天線的具體數(shù)量，?表示發(fā)射端到接收端的路徑損耗平均數(shù)值，a(Θlc,lr)表示發(fā)射角歸一化陳列響應(yīng)向量[5]。若傳輸過程中有且僅有一簇傳輸信號(hào)概率最大，只有將大部分發(fā)射信號(hào)的功率都集中在某一個(gè)特定簇結(jié)構(gòu)上，才能實(shí)現(xiàn)安全傳輸處理。

2.1.2 具體技術(shù)應(yīng)用方案

首先，明確具體的優(yōu)化指標(biāo)，結(jié)合編碼要求計(jì)算冗余速率，依據(jù)信道容量采取瞬時(shí)CSI應(yīng)用方案，滿足固定條件后就能獲取發(fā)射端的發(fā)射信息。由此可知，在安全終端概率滿足一定閾值參數(shù)后，才能維持較好的安全吞吐量，確保整體應(yīng)用效果最優(yōu)[6]。

其次，在常規(guī)化人工噪聲方案中，發(fā)射端處理竊聽問題時(shí)會(huì)將人工噪聲直接均勻地輻射到主信道的零空間內(nèi)，從而干擾竊聽者獲取信息。然而利用大規(guī)模天線陣模式時(shí)，主信道的零空間計(jì)算模式較為復(fù)雜，為了充分發(fā)揮毫米波信道特性的優(yōu)勢(shì)，就要依據(jù)矩陣結(jié)構(gòu)選取獨(dú)自傳播數(shù)據(jù)流，然后完成列向量的處理，有效獨(dú)立覆蓋竊聽傳播區(qū)域，并結(jié)合竊聽信噪比完成干擾處理。

最后，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用環(huán)境評(píng)估分析安全吞吐量，對(duì)滿足傳輸條件的主信道進(jìn)行信道增益處理，從而保證調(diào)節(jié)傳輸參數(shù)能維持安全速率最大值，并有效優(yōu)化吞吐量安全速率。用累計(jì)分布函數(shù)對(duì)竊聽者的信噪比進(jìn)行處理，保證信道增益的同時(shí)，滿足安全約束條件。

基于人工噪聲安全傳輸技術(shù)建立多徑傳播自適應(yīng)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(chǔ)上評(píng)估安全吞吐量，保證最優(yōu)化功率分配因子的合理性，從而滿足管控基礎(chǔ)[7]。此外，根據(jù)毫米波的傳播特性，結(jié)合離散角度域的信道模型進(jìn)行傳輸空間路徑的解析處理，避免出現(xiàn)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?shù)陌踩浴?/p>

2.2 基于RF預(yù)編碼的安全傳輸技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于通斷策略的自適應(yīng)傳輸方案也能有效匹配目標(biāo)函數(shù)完成安全吞吐量的評(píng)估。結(jié)合RF預(yù)編碼技術(shù)能有效發(fā)揮毫米波波長較短的優(yōu)勢(shì)，維持收發(fā)機(jī)配置天線處理應(yīng)用模式。傳統(tǒng)的微波通信結(jié)構(gòu)中，天線數(shù)目有限，一般借助數(shù)字預(yù)編碼控制器分析信號(hào)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(gè)數(shù)字預(yù)編碼器只能使用一根天線對(duì)應(yīng)一個(gè)射頻鏈路的方式。而在毫米信號(hào)應(yīng)用中，天線的規(guī)模全面擴(kuò)大，此時(shí)配置較多的獨(dú)立鏈路會(huì)耗費(fèi)較高的成本，這就需要結(jié)合毫米波通信安全應(yīng)用要求，維持狀態(tài)信息和信道信息的平衡，從而提升安全性能[8]。

2.2.1 系統(tǒng)信道模型

在毫米波系統(tǒng)信道模型建立和應(yīng)用的過程中，相較于傳統(tǒng)技術(shù)體系，其發(fā)射端配置大規(guī)模天線陣節(jié)點(diǎn)處理機(jī)制，能有效提高空間利用效率，并且無需額外的發(fā)送功率和帶寬就能有效增加系統(tǒng)的基礎(chǔ)信道容量。匹配正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）能建構(gòu)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(jié)構(gòu)后，依據(jù)RF預(yù)編碼器能獲取全鏈路的性能內(nèi)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(yīng)產(chǎn)生的不良影響[9]。

2.2.2 系統(tǒng)應(yīng)用

OFDM在應(yīng)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(jié)合低速并行的子載波應(yīng)用模式維持?jǐn)?shù)據(jù)運(yùn)行的合理性。不同子載波頻譜存在一定的交疊性，分別對(duì)子信道進(jìn)行差異化調(diào)制，從而有效減少信號(hào)波形受到的影響。建立MISO-OFDM系統(tǒng)平臺(tái)，利用技術(shù)方案有效提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)效性，并提高頻譜的利用率。依據(jù)最大安全速率進(jìn)行RF預(yù)編碼處理，根據(jù)不同指標(biāo)制定不同的設(shè)計(jì)方案，確保選擇性衰落信道RF標(biāo)準(zhǔn)符合實(shí)際要求，選取優(yōu)化目標(biāo)后完成全部信道和部分信道的交叉處理[10]。

3 結(jié) 論

無線通信技術(shù)的全面發(fā)展給人們的生產(chǎn)生活帶來了較為深遠(yuǎn)的影響，為了提升信息傳輸?shù)陌踩院鸵?guī)范性，結(jié)合具體的技術(shù)內(nèi)容從毫米波無線通信物理層安全傳輸技術(shù)應(yīng)用角度出發(fā)，匹配較好的資源管理機(jī)制，減少信道竊聽問題造成的不良影響。