楊金梅

摘要：在通信行業(yè)快速發(fā)展的今天，5G通信技術(shù)的水平也在不斷提高，為了保證通信網(wǎng)絡(luò)的安全，技術(shù)人員引入了增強物理層安全信號處理技術(shù)。雖然目前我國在這方面已經(jīng)取得了一些成績，但還是存在一些問題，因此如何增強物理層安全信號的處理技術(shù)仍然是技術(shù)人員當(dāng)前所研究的重點。本文主要介紹了5G通信網(wǎng)絡(luò)的重要性和5G通信物理層的關(guān)鍵技術(shù)，重點對物理層安全信號處理進行了分析。

關(guān)鍵詞：5G通信;物理信道;物理層安全;信號處理

1.5G通信網(wǎng)絡(luò)的重要性

1.1提高資源利用率

通信網(wǎng)絡(luò)1G到5G的變化可以說是天差地別，尤其是在3G網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)后，移動網(wǎng)絡(luò)的速度更是發(fā)生了巨大的變化?，F(xiàn)在人們也經(jīng)常會將4G和5G進行比較，尤其是在速度方面，5G更是讓人們眼前一亮。技術(shù)人員通過對4G傳輸波形的網(wǎng)絡(luò)頻譜圖進行了分析說明，頻譜圖中越是使用集中的位置，占用的帶寬就越多，因此嚴(yán)重影響了傳輸速度和信號的頻率帶寬，不僅如此對信息的傳輸質(zhì)量也會造成一定的影響。其實4G網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，已經(jīng)增加了頻譜資源，而5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用使頻譜資源的利用率得到了進一步的提升[1]。

1.2擴展系統(tǒng)容量

通信技術(shù)的水平越來越高，網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度也在不斷增加，再加上電子產(chǎn)品的種類和數(shù)量不斷的增多，使互聯(lián)網(wǎng)、信息安全以及傳媒等行業(yè)都進入了信息化時代，人們接收信息的速度也越來越快。根據(jù)相關(guān)行業(yè)數(shù)據(jù)，現(xiàn)在全世界的通用信息量增加了1000多倍，而且還在繼續(xù)增加。雖然到目前為止數(shù)據(jù)信息仍然在增加，但是很多的4G技術(shù)卻不能保證信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性。5G網(wǎng)絡(luò)能夠擴大系統(tǒng)容量，提高下載的速度，并支持高清4K圖片的快速傳輸，提高人們獲取信息的速度和完整性[2]。

1.3重視用戶體驗

自從4G網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)后，人們對于手機的使用性能就有了更高的要求，而且更加依賴手機，與此同時也促進了移動網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。人們使用手機看視頻、看電影或者網(wǎng)上購物等，有了移動網(wǎng)絡(luò)的支持，這些操作都變得非常簡單。5G網(wǎng)絡(luò)不僅提高了運行速率，在保證信息安全的同時，還給用戶帶來了更好的體驗感受，讓人們更進一步享受手機帶來的樂趣。用戶使用5G網(wǎng)絡(luò)能夠看更加高清的4K電影;看直播的速度也更快，還沒有卡頓;就連瀏覽網(wǎng)頁也可以處理語音和視頻業(yè)務(wù)。5G網(wǎng)絡(luò)的速度更快，覆蓋面更廣，用戶在使用時也無需擔(dān)心會出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。

2.5G通信物理層的關(guān)鍵技術(shù)

2.1毫米波通信

毫米波通信主要是通過毫米波作為載波的方式來實現(xiàn)通信，是目前比較具有代表性的一種通信方法。尤其是在大范圍的煙霧穿透、高機密傳遞以及高質(zhì)量的傳輸?shù)确矫?，毫米波通信具有一定?yōu)勢。通常情況下，網(wǎng)絡(luò)信號會出現(xiàn)擴散的情況，主要是因為在傳輸過程中信號出現(xiàn)了擴散，而且還受到了外部環(huán)境的干擾，導(dǎo)致信號出現(xiàn)丟失現(xiàn)象，因此在穿過建筑物時，信號會損失一部分能量。當(dāng)信號波是高頻段或者中頻段的時候，如果穿過障礙物就要消耗掉大量的能量，因此傳播的距離也無法太長[3]。一旦信號在傳播過程中出現(xiàn)大量能量丟失，可能會造成雖然毫米波穿過了建筑物，但是信號的質(zhì)量卻非常弱，甚至無法獲取。一些低頻信號則不同，當(dāng)其完成穿透和反射時，和其他的頻段相比而言，能量的損失相對比較低。

2.2大規(guī)模MIMO

大規(guī)模MIMO技術(shù)能夠提高頻譜效率，使得信號的傳播速度非常高，信號質(zhì)量也非常好。早期人們使用MIMO技術(shù)時，需要安裝一個非常大的天線，還需要進行站點租用，隨著現(xiàn)代化技術(shù)的不斷改革與提升，雖然在技術(shù)方面有所提高，但是投入的成本也在不斷增加。尤其是在需要的數(shù)據(jù)量特別大的時候，極其容易因為網(wǎng)絡(luò)的卡頓而造成數(shù)據(jù)丟失，影響人們的正常生活和工作。因此上述早期方式無法滿足人們的正常使用需求，已經(jīng)逐漸被淘汰了。技術(shù)人員在對大規(guī)模MIMO進行研究時，已經(jīng)將其作為無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢，另外它還是擴大基站最好的方式。盡管現(xiàn)在MIMO技術(shù)在最近幾年的研究已經(jīng)取得了非常大的進展，但是仍然還是存在很多問題需要研究和處理，因此如何能夠更好的適應(yīng)當(dāng)下的移動通信，并如實的完成信號反饋，是技術(shù)人員面臨的重點問題和新的挑戰(zhàn)。

2.3高頻段的應(yīng)用

移動通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展速度非?？?，由于4G通信系統(tǒng)的頻段明顯比3G赫茲的要低，網(wǎng)絡(luò)的使用人數(shù)也在不斷的增加，如果頻帶低于3G赫茲，網(wǎng)絡(luò)會因為承受不起而崩潰。隨著5G技術(shù)的應(yīng)用，技術(shù)人員在高頻領(lǐng)域使用大范圍的MIMO，能夠在3G赫茲的基礎(chǔ)上，為用戶提供更多的數(shù)據(jù)信息，同時還克服了很多高頻帶傳輸?shù)娜毕?，解決了頻帶資源短缺的問題。

3.物理層安全信號處理技術(shù)

3.1波束賦形與預(yù)編碼

3.1.1沒有人工噪聲的安全波束賦形與預(yù)編碼

首先技術(shù)人員要考慮 多入單出多天線竊聽MISOME的情況，在該情景中可以擴大到接收器和多天線的場景，而此時的發(fā)射器必須要在發(fā)射信號之前來執(zhí)行預(yù)編碼。MISOME情況下的安全容量具有一定的非凸特性，無法實現(xiàn)最優(yōu)的方法來解決編碼矩陣。問題的最佳解決方式是鞍點，但是最優(yōu)解不是以閉合的形式存在的，需要在數(shù)值上進行求解。

3.1.2有人工噪聲的波束賦形與預(yù)編碼

技術(shù)人員為了降低竊聽者的信道質(zhì)量，還可以增加主信道與竊聽信道之間的差異，使竊聽者無法實現(xiàn)竊聽功能。采用的方法是，發(fā)送端在進行信號傳輸時增加人工噪聲，對竊聽者造成干擾，但是不會影響目標(biāo)用戶的正常使用。隨機噪聲能夠有效的降低竊聽者的信噪比和其攔截信息的速度。如果發(fā)射機了解主信道的信道狀態(tài)信息CSI，那么發(fā)射機可以將所要加入的人工噪聲投射到主信道的空間中。當(dāng)在MISOME的狀態(tài)下，技術(shù)人員可以采用次優(yōu)匹配濾波的方法來避免非最優(yōu)波束的形成。

3.2數(shù)據(jù)信號與功率分配

為了更好的實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全性能，技術(shù)人員要合理的進行數(shù)據(jù)信號和人工噪聲之間的分配，當(dāng)發(fā)射機沒有發(fā)現(xiàn)竊聽者的CSI時，則無法進行準(zhǔn)確的功率分配來實現(xiàn)安全系數(shù)的最大化。在目前的情況下來看，功率的分配策略是在性能指標(biāo)估計的基礎(chǔ)上，例如安全系數(shù)、中段概率等指標(biāo)。在MISOME的情況下，當(dāng)發(fā)射機了解主信道的CSI和竊聽信道的CSI時，與完整的CSI進行比較之后，添加人工噪聲會泄露期望的用戶。但是如果發(fā)射機對主信道的CSI和竊聽信道的CSI了解不完善時，根據(jù)MISOME和MIMOME的實際情況來添加人工噪聲所獲得的安全率，仍然比沒有人工噪聲的安全率要高。

3.3物理層的處理技術(shù)

技術(shù)人員在進行物理層的處理時，首先要確定信道發(fā)生干擾時竊聽者的信道預(yù)測精準(zhǔn)度降低，而且可以通過反復(fù)的處理來降低竊聽者預(yù)測的精準(zhǔn)度。在預(yù)先確定信道的時間中，技術(shù)人員可以通過校正反饋重新校準(zhǔn)法和雙向校正法兩種方式來提高物理層信號傳輸?shù)陌踩浴?/p>

3.3.1反饋與重新校正

該方法將訓(xùn)練過程劃分為好幾個階段，首先是信號傳輸?shù)淖钤珉A段，發(fā)射機要先確定導(dǎo)頻的序列，然后才能開始發(fā)送信號。接收器會先接收到正確的信號，再通過使用最小的誤差方法來對整個信道的信號進行預(yù)估，并將其反饋到發(fā)射機上。發(fā)射機會再重新發(fā)送新的導(dǎo)頻并在信號中加入人工噪聲，這些信息都會被直接反映在CSI空間中。在一般情況下，噪聲對通道自身的準(zhǔn)確性會有一定的影響，于是竊聽者會受到人工噪聲的干擾，造成信號的干擾更加強烈。在信道進行預(yù)判決之后，接收機將信息反饋到發(fā)射機上，然后發(fā)射機將前兩個反饋的結(jié)果進行組合，從而得到CSI的精度，有效的改進預(yù)測，預(yù)測的準(zhǔn)確度和前兩個反饋結(jié)果精度是成正比的。發(fā)射機發(fā)送具有人工噪聲的導(dǎo)頻信號，一直到其能夠得到更好的反饋結(jié)果為止。該方法能夠把人工噪聲放在更加正確的位置上，通過多次的校正來獲得更加正確的CSI，確保對正常通信不產(chǎn)生干擾。

3.3.2雙向校正

通常情況下，校正反饋與重新校正的方法是可行的，但是因為它需要不斷的進行多次校正和反饋，導(dǎo)致該過程所消耗的資源過多，而且通信效率也比較低。因此雙向校正方案是對之前方案的完善和優(yōu)化，重點解決了之前存在的問題。雙向校正最大的優(yōu)勢就是信號在進行校對時，接收器也在完成集成工作，以此來提升運行效率。另外，雙向校正也增強了信道自身的互易性特征，在發(fā)送端就能完成相關(guān)信息的收集工作。雖然載波系統(tǒng)在上下行信道存在頻率點差異，但是此時的上下行信道沒有互易性的特點。針對這一狀況，工作人員采取了對齊的方式，當(dāng)接收機進行逆校正時，會將一些信息傳送到對端，同時還會不斷的發(fā)出校正信號?；ギ愋蕴卣髯儚娨矔?dǎo)致竊聽者獲取的信息更加完善，很難識別竊聽者。目前來看，技術(shù)人員還要對其進行不斷的完善和研究，才能保證質(zhì)量。

結(jié)束語：目前5G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)給用戶帶來了很多便利，提高了網(wǎng)絡(luò)速度和用戶體驗，技術(shù)人員通過物理層安全信號處理，不斷提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕M一步加強網(wǎng)絡(luò)可靠性。技術(shù)人員還在繼續(xù)研究與完善，滿足不同行業(yè)對網(wǎng)絡(luò)的需求。

參考文獻

[1]王力， 李宏偉. 基于5G通信的增強物理層安全信號處理技術(shù)分析[J]. 信息與電腦， 2020.

[2]劉丹陽.基于5G通信增強物理層安全信號處理技術(shù)研究[J].電子測試，2020（24）：125-126.

[3]鄭曙祥.5G通信中的增強物理層安全信號處理的技術(shù)[J].科技資訊，2019，17（25）：10-11.