5G 通信中的增强物理层安全信号处理技术

2020-01-08刘宏嘉王鑫炎

通信电源技术 2020年6期

刘蕊，刘宏嘉，王鑫炎

（1.中国联通舟山分公司，浙江舟山 316000；2.中国联合网络通信有限公司浙江省分公司，浙江杭州 310053）

0 引言

随着信息化的深入发展，网络业务越来越多，5G通信技术应运而生。但是，从实际情况来看，5G 通信技术中存在很多问题。例如，用户在通信过程中存在被窃听的风险，之前是利用网络层进行加密保护解决该问题，但是这种方式在秘钥管理当中仍然存在不足。而增强物理层安全信号处理技术可以有效解决窃听问题，限制窃听者的信号强度，因此应该对5G 通信中的增强物理层安全信号处理技术进行深入研究。

1 5G 移动通信技术的概念

随着移动数据需求的不断增长，4G 通信技术已经无法满足社会需求，所以相关人员研究出了5G 通信技术。5G 通信技术指的是第五代通信技术，属于数字蜂窝移动通信技术，是对4G 通信技术的延伸。5G 通信技术的出现不仅提高了数据传输速率、节省了能源，而且降低了成本。例如，5G 通信技术的数据传输速率比4G 快近百倍，且网络延迟时间也比较短，在1 ms以内，所以5G 通信技术的应用范围较为广泛[1]。但是，5G 通信技术仍然没有解决窃听这一问题，用户在通信过程中面临被窃听的风险，而只有增强物理层安全信号处理技术才能够降低窃听风险。

2 数据发射过程中的物理层安全信号处理技术

在应用5G 移动通信技术时，如果不做好隐私保护工作以及信息加密工作就会威胁到用户安全，当前在数据发射阶段常用波束赋形技术以及加入干扰信号技术这两种信号处理技术相结合的方式，以增强信息安全性。

5G 移动通信技术的数据传输速率非常高，但是信号保护是5G 通信技术的弱点，随着5G 通信技术应用范围的扩大，5G 通信当中的信号保护问题受到了广泛关注。波束赋形技术是数据发射阶段中的安全信号处理技术，又被称之为空域滤波、波束成型，是利用传感器定向发送信号和定向接收信号的信号处理技术[2]。这是一种常见的保护数据安全的技术，通常采用矩阵形式对数据流进行重新排列组合。对数据流进行重新分配就是预编码，也就是说波束赋形属于预编码，但是波束赋形又比预编码更为简单，所以应该合理应用波束赋形技术，保护用户的通信安全。但是当前移动智能终端的数据处理能力比较低，仅利用波束赋形技术无法完全保障信息的安全性，仍然有可能会被破译，所以在应用这种技术时应该综合考虑实际情况并结合其他信号处理技术，从而保障信息安全。例如，可以将加入干扰信号这种处理技术和波束赋形技术结合起来。加入干扰信号主要是加入人工噪声，即利用预编码技术加入人工噪声，这样可以在保证干扰效果的基础上削弱多用户之间的干扰。应用人工噪声可以有效降低窃听者的信道强度，但是在发射机功率等因素的影响下，如果应用人工噪声就会影响到数据的发射功率，因此需要做好数据信号以及人工噪声这两者的功率分配工作[3]。同时，还应该平衡好数字信号以及人工噪声信号之间的幅度，避免影响到数据信息的完整度。

3 信号处理过程中的物理层安全信号处理技术

若想从本质上提高5G 通信技术中的信号安全性就需要在不同的阶段采用不同的数据处理办法，不仅要在数据发射阶段中加强技术保护，也需要在信号处理过程中加强技术保护。当前，信号处理过程常用的两种解决方案分别是在拦截信号之后，对拦截者的信道进行干扰的校正方案，另一种是能够弥补第一种校正方案不足的双向校正方案。

3.1 重复性的信号反馈与校正方案

在信号处理阶段中应用重复性的信号反馈与校正方案可以对拦截者的信道预判造成干扰。这种方式主要是利用发射端发射导频训练信号以及人工噪声，以对窃听者的信道造成影响。

一旦拦截者将信号拦截下来之后，拦截者就会预判5G 通信网络的信道，继而盗取用户信息，这样就会对用户的通信安全造成影响，因此需要对这个过程进行干扰。而利用重复性信号反馈与校正能够处理这一问题，但是这一过程十分复杂。首先，在发射信号时需要整合导频序列，开启预设的信号处理工序对信号进行处理，经过处理之后再将信号发送出去。其次，当发射端接收到新的导频序列时，需要增加人工噪声干扰信号，并将人工噪声干扰信号和导频训练信号一同放在CSI 零空间当中。CSI 零空间承担着反馈目的端的数据信息这一重任，而目的端能够阻滞智能信息，对窃听者的信道造成强大干扰。最后，目的端会再次将信息反馈到发射端，发射端会综合分析之前的结果，总结出一个完整的导频序列，从而增强CSI 的精度[4]。将发射端、信道以及CSI 零空间三者结合在一起，能够提高校正工作的效率。

3.2 双向校正方案

重复性的信号反馈与校正方案需要重复多次进行校正与反馈工作，会消耗大量的资源，增加成本，也会降低通信效率，而利用双向校正方案能够弥补重复性的信号反馈与校正方案的不足，因此应该合理应用双向校正方案。双向校正方案能够实现双向的信号校正，提高信号校正的质量。双向校正方案涉及到了目的端，所以在这一方案当中目的端也需要发送导频训练信号。当前，将双向校正方案分为了两种情形，一种是系统在时分多址中工作，一种是系统在频分多址中工作。

（1）系统在时分多址中工作

在这种情形下，前向以及反向信道具有信道互易性。所以在第一阶段（反向训练）中，目的端需要先将已知的训练信号发送到源端，然后源端会对信道信息进行估计以及转置，这样就可以获得目的端和源端之间的信道。此时，窃听者无法估计出源端到窃听者信道的信息，只能估计出从目的端到窃听者信道的信息。在第二阶段（前向训练）中，源端会将导频信息发射到目的端，这一过程中加入的有人工噪声，也能够对窃听者造成干扰。

（2）系统在频分多址中工作

在这种情形下前向信道和反向信道的工作频点不同，所以信道不具有互易性，就需要加入一个“roundtrip”这种训练过程[5]。首先，在反向训练中，目的端会将已知信号发送给源端，源端会估计出反向信道。其次，需要加入“round-trip”这一训练过程。源端会选出一个训练信号，目的端会给发射机传输信号，这时源端就可以得到前向及反向信道。最后，源端会加入噪声，然后再开展前向训练。