5G通信中的增強物理層安全信號處理技術研究

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，探究了關于增強物理層安全信號的處理技術，以期對5G移動通信未來的發展提供一定的幫助。

關鍵詞：5G通信;物理層安全;信號處理

中圖分類號：TN918 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）06-0046-02

0 引言

當前階段，我們運用的無線通信技術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，更新無線通信系統必不可少，這就給相關設計人員的工作帶來很大的挑戰。在過去，若要有效解除用戶被竊聽的風險，行之有效的解決辦法是給網絡層進行加密，但在秘鑰的分配和管理上卻經常出現漏洞。近幾年來，相關方面的研究轉向以5G移動通信物理層安全信號技術的處理上來，在降低高層協議復雜度方面的優勢明顯，具有十分廣闊的應用前景和開拓價值。

1 關于數據發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，數據發射階段較常使用的處理技術有以下兩種[1]：

1.1 數據編碼技術

5G移動通信在信號保護方面的功能較弱，信號保護問題一直是困擾5G移動通信發展的一大阻礙。在過去相關的應用中，由于5G移動通信數據傳輸的重要性較低，人們的關注度也隨之降低，但隨著移動通信網絡系統的發達，現在5G移動通信網絡已經得到了廣泛的應用，5G移動通信的數據傳輸問題再次得到社會各界人士的關注。數據編碼技術便是基于5G移動通信數據傳輸的原理和數據傳輸中存在的問題，結合信息保護功能的特殊性，利用電子數據保護方式對物理層的安全信號進行數據編碼，經過數據處理層的處理之后，再傳送到對應位置上來。這種常見的數據保護方法，一般采用矩陣形式重新排列組合數據流，從而對物理層上的數據傳輸進行保護。但是，因為目前移動智能終端的數據處理能力十分有限，僅僅通過數據編碼技術進行信息保護是遠遠不夠的，被破譯的可能性仍舊很大，所以在具體開展時應將理論和實際有效地結合起來，采用編碼技術處理時，相關的工作人員仍需多方面考慮其他信號處理技術的實效，全方位守護5G移動通信系統。

1.2 干擾信號加入的安全信號處理技術

由于智能移動端數據處理的容量不大，一些功能較為強大的信號安全處理技術都無法得到充分的運用。因此，采用一些新技術增強5G移動通信物理層安全信號處理技術是必不可少的。結合移動通信的性質、特征，干擾信號加入的安全信號處理技術應運而生。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，接著通過對應的數據編碼技術將信號進行編碼，而后抄送。這樣處理的目的是，有效防止用戶在使用5G移動通信技術時個人信號被攔截竊聽的風險，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，從而實現安全信號處理的目的。在實際應用中，應當注意兩點事項：第一點，為了防止加入的人工噪聲信號超出主信道的信號，應注意平衡好數字信號和人工噪聲信號的幅度;第二點，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節一定要做好，才能對整個5G移動通信系統起到更大的保護作用。

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，根據不同的階段采取不同的數據處理方法，在數據發射階段，數據編碼技術和干擾信號加入的安全信號處理技術這兩種技術的有效運用，一定程度上降低了用戶信號被竊聽的風險。而在信號處理階段，為了更好地提高物理層安全性的技術手段，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性的信號反饋與校正方案，第二種是雙向校正方案，彌補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 重復性的信號反饋與校正方案

在信號處理階段，重復性的信號反饋與校正方案能夠起到干擾攔截者信道預判的效果，主要通過發射端發射導頻訓練信號和人工噪聲的方式，影響竊聽者的信道估計性能。當信號被攔截者攔截下來以后，攔截者會對移動通信網絡的信道加以預判，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，在每一環節認真把關：在信號發射時，通過導頻序列的整合，啟動預定的信號處理工序，信號經過處理之后再發送。發射端接收經過處理后的新導頻序列，與此同時添加人工噪聲干擾信號，并將此前的導頻訓練信號二者合并，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，可大大減低竊聽者的信道強度，避免用戶信息被二次加工處理。緊接著，目的端估計信道后再次反饋給發射端，發射端合并前兩次的結果，提煉出完整的訊息導頻序列，再經由CSI零空間的信號放送估計CSI精度。這一過程中重復的步驟較多，多次訓練的目的只為用較少的導頻功率進行移動信號處理，直到發射端獲得精確的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、發射端三者，巧妙地運用三者之間的聯系，將重復性的信號反饋與校正工作落實到位，在實踐中達到干擾攔截者信道預判的理想效果。

2.2 雙向校正方案

雙向校正技術方案能夠將接收端納入整個信號校正過程，雙向對信號進行校正，提高信號校正的工作效率。第一階段，主要是在目的端進行反向訓練，向源端發射已知的訓練信號，根據信道互易性，等待目的端到源端的信道信息估計完成后再進行精準的轉置，這樣一來，竊聽者雖然能估計出從目的端傳來的信道信息，但由于雙向校正技術方案中反向信號訓練功能的充分發揮，在目的端到源端的訓練信號被雙向轉置了，所以從源端傳來的信道信息便無法有效接收到。第二階段，前向訓練階段通過源端向目的端發射導頻信息，并插入CSI零空間的人工噪聲，重新進行信號的校正。接收端在接到校正信號時同步進行廣播，竊聽者此前并不知情。接收端可以把接收到的信號向發射機轉達，直接計算出前向信道的值。但是，這兩種導頻校正方案，在性能方面仍存在一定的局限性，所以有待進一步的探索和完善。

3 結語

綜上所述，為了保證5G移動通信的應用發展，更好地滿足信息體驗用戶的安全需求，根據不同的階段采取不同的數據處理方法，將研究方向轉向應用價值與開拓前景并重的新型處理技術的開發，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，應再接再厲，繼續潛心鉆研。

參考文獻

[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.增強物理層安全的聯合發射天線選擇和人工噪聲技術[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