5G通信中的增強(qiáng)物理層安全信號(hào)處理的技術(shù)

鄭曙祥

摘? 要：我國(guó)即將進(jìn)入5G時(shí)代，而在5G中增強(qiáng)物理層安全信號(hào)處理技術(shù)是不可或缺的重要組成部分，其直接影響5G的運(yùn)行速度以及運(yùn)行質(zhì)量，所以科研人員必須要重視這項(xiàng)技術(shù)?；诖耍撐膹膬呻A段對(duì)5G通信中的增強(qiáng)物理層安全信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行分析，一是數(shù)據(jù)發(fā)射階段采用物理層安全信號(hào)處理技術(shù);二是信道估計(jì)階段采用物理層安全信號(hào)處理技術(shù)，希望可以為有需要的人提供參考意見。

關(guān)鍵詞：5G通信? 物理層? 安全信號(hào)? 處理技術(shù)? 增強(qiáng)

中圖分類號(hào)：TN911.7 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）09（a）-0010-02

最近幾年，人們?cè)絹碓街匾曃锢韺?，從該階段來發(fā)現(xiàn)加強(qiáng)穩(wěn)定性以及可靠性的方法。5G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)非常迫切的想要問世，但該階段在發(fā)射機(jī)端必須要安裝大型的天線，所以這樣就可以使信號(hào)變得更加自由，而且也可以帶動(dòng)物理層信號(hào)處理技術(shù)不斷創(chuàng)新和不斷發(fā)展。相對(duì)于傳統(tǒng)的技術(shù)而言，該處理技術(shù)并不復(fù)雜，而且其高層協(xié)議也是相當(dāng)簡(jiǎn)單的，具有一定的優(yōu)勢(shì)。

1? 數(shù)據(jù)發(fā)射階段采用物理層安全信號(hào)處理技術(shù)

通常，將該數(shù)據(jù)流進(jìn)行分配以及權(quán)重后，發(fā)射到天線，即波束賦形，將某段數(shù)據(jù)流通過矩陣發(fā)揮出改變信號(hào)的作用后，再將其發(fā)射到天線，即預(yù)編碼。因此，波束賦形在預(yù)編碼的范圍內(nèi)，但經(jīng)過比較，預(yù)編碼工作原理是相對(duì)復(fù)雜的，而波束賦形是相當(dāng)簡(jiǎn)單的，設(shè)計(jì)也十分直觀[1]。因此，為了使竊聽人員獲得的信號(hào)不斷減少，必須要重視竊聽人員和主信道二者之間的差異，使竊聽者不能及時(shí)接收相應(yīng)的信號(hào)，為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，發(fā)射端需要將人工噪音添加到信號(hào)中，但是該人工噪音能夠?qū)邮斩艘约鞍l(fā)射端產(chǎn)生直接的影響，所以對(duì)很多竊聽人員都能夠產(chǎn)生干擾作用。然而因?yàn)橥ㄐ磐诤芏嘟K端上產(chǎn)生作用，所以發(fā)射端通常在信號(hào)發(fā)射過程中，很多用戶彼此之間容易受到影響。為了將該問題有效解決，一般發(fā)射端都會(huì)運(yùn)用zf預(yù)編碼技術(shù)對(duì)所有人工噪聲進(jìn)行有效處理，這樣不僅能夠使很多用戶彼此之間降低影響，而且人工噪聲可以發(fā)揮出干擾的效果。

人工噪聲以及數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)人工噪聲使用進(jìn)行合理的分配，在很大程度上有可能使竊聽人員的信道越來越惡化，但是由于發(fā)射機(jī)公路受到約束，采用人工噪聲很有可能降低數(shù)據(jù)信號(hào)自身的發(fā)射功率，進(jìn)而使得用戶的SINR減少[2]。因此，合理分配人工噪聲以及數(shù)據(jù)信號(hào)之間的功率，有利于獲取較高的安全性。如果發(fā)射機(jī)對(duì)竊聽人員的CSI是不了解的，或者僅僅掌握統(tǒng)計(jì)的CSI，這樣就難以確保功率分配是準(zhǔn)確的。因此，現(xiàn)階段研究主要研究結(jié)合安全中斷概率，制定適合的功率分配方法。

2? 信道估計(jì)階段采用物理層安全信號(hào)處理技術(shù)

這種方法的關(guān)鍵思想是在信道估計(jì)中，利用使竊聽人員信道估計(jì)精度變得惡化，進(jìn)而制約竊聽人員得數(shù)據(jù)中獲得適合的SNR。當(dāng)前，在信道估計(jì)階段采用物理層安全技術(shù)，其經(jīng)常采用方案有兩種;一種是從訓(xùn)練到反饋，再從反饋到在訓(xùn)練;另一種是雙向訓(xùn)練。其具體表現(xiàn)在以下兩點(diǎn)。

2.1 從訓(xùn)練到反饋，再從反饋到在訓(xùn)練

這套方案把訓(xùn)練過程劃分成若干個(gè)訓(xùn)練階段。早期階段，發(fā)射機(jī)只要發(fā)生基礎(chǔ)的導(dǎo)頻序列，目的端就會(huì)及時(shí)接收此訓(xùn)練信號(hào)，然后采用最小平方的方式大致估算信道，而且向發(fā)射端立即反饋。接著，發(fā)射端再一次發(fā)射出全新的導(dǎo)頻序列，而且添加人工噪聲，此人工噪聲傳送到目的端所反饋的CSI零空間。毋庸置疑，這個(gè)人工噪聲很有可能影響目的端導(dǎo)頻練習(xí)，即便影響力度小，但是還是會(huì)導(dǎo)致竊聽人員信道估測(cè)性能出現(xiàn)明顯的惡化。目的端對(duì)信道做出估計(jì)后，必須要向發(fā)射端進(jìn)行第二次反饋，再由發(fā)射端對(duì)之前的反饋結(jié)果進(jìn)行歸納，進(jìn)而大大提升CSI進(jìn)度[3]。最后，發(fā)射端需要將人工噪聲以及導(dǎo)頻練習(xí)信號(hào)第三次發(fā)射出去，直至發(fā)射端獲取理想的額CSI結(jié)果。這套方案采用導(dǎo)頻功率較少以及反復(fù)練習(xí)過程直至發(fā)射端慢慢獲取準(zhǔn)確性強(qiáng)的CSI，這樣就能夠在相對(duì)準(zhǔn)確的信道子空間中加入人工噪聲，讓人工噪聲不會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)目的信道估測(cè)過程。

2.2 雙向訓(xùn)練過程

第一套方案因?yàn)楸仨氁蟹磸?fù)的前后練習(xí)以及反復(fù)過程，導(dǎo)致通信費(fèi)用相當(dāng)大，通信水平不高。對(duì)于導(dǎo)頻雙向訓(xùn)練方案來講，其在很大程度上能夠彌補(bǔ)第一種訓(xùn)練方案存在的不足。通過使用此方案能夠使目的端主要進(jìn)入到導(dǎo)頻訓(xùn)練中，也就是使目的端也可以將導(dǎo)頻訓(xùn)練信號(hào)成功發(fā)送出去[4]。通常，可以將其劃分成多種情況，主要包括兩種：一是工作在時(shí)分多址的系統(tǒng);二是工作在頻分多址系統(tǒng)。

就工作在時(shí)分多址系統(tǒng)來講，前向以及方向信道可以滿足信道互易性的基本要求。在這種情況下，首先，在方向訓(xùn)練階段首先目的端將已經(jīng)獲得的訓(xùn)練信號(hào)發(fā)射到源端，源端準(zhǔn)確估測(cè)從目的端直到源端的所有信道信息，結(jié)合信道的互易性特點(diǎn)，通過利用源端轉(zhuǎn)置估測(cè)的信道，就能夠獲取從源端直到目的端的所有通道。但是該情況下竊聽人員估測(cè)的是從目的端到竊聽人員的所有信道信息[5]。其次，也就是前向訓(xùn)練階段，源端又一次將導(dǎo)頻信息從源端發(fā)送到目的端，而且加入一種零空間人工噪聲，以此使竊聽人員估測(cè)CSI性能發(fā)生惡化。

就工作在頻分多址系統(tǒng)來講，因?yàn)榍跋蛞约胺聪蛐诺拦ぷ黝l點(diǎn)存在差異，信道不具備互易性。面對(duì)該情況，必須要設(shè)置一個(gè)訓(xùn)練過程，也就是round trip。整體來講，第一，在反向訓(xùn)練階段將已經(jīng)獲得的訓(xùn)練信號(hào)從目的端發(fā)送到源端，源端估測(cè)出反向信道H。第二，采用round trip訓(xùn)練，也就是從源端到目的端。通常，源端需要將隨機(jī)抽取的訓(xùn)練信號(hào)廣播除去，如若只是依賴發(fā)射機(jī)已知。不管是目的端還是竊聽人員，都不了解這個(gè)訓(xùn)練信號(hào)，目的端利用放大轉(zhuǎn)發(fā)的方法將成功接收的信號(hào)向發(fā)射機(jī)發(fā)送，這樣遠(yuǎn)端就能夠獲取前向以及反向信號(hào)的乘積，運(yùn)用第一階段獲取的H1，源端能夠?qū)υ炊说侥康亩饲跋蛐诺佬畔2迅速獲取。第三，源端結(jié)合估計(jì)所得的H2，將其放入到零空間噪聲中，再進(jìn)入到接下來的前后訓(xùn)練階段中?，F(xiàn)如今，我國(guó)相關(guān)研究學(xué)者并沒有深入分析這些導(dǎo)頻訓(xùn)練方案獲取額性能。考慮最適合的導(dǎo)頻訓(xùn)練序列長(zhǎng)度，最適合的人工噪聲功率分配以及導(dǎo)頻功率仍舊不多。

3? 結(jié)語

總而言之，5G中的增強(qiáng)物理層安全信號(hào)處理技術(shù)，既能夠在數(shù)據(jù)發(fā)射階段使數(shù)據(jù)安全性得到大幅度提升，又能夠在信道預(yù)測(cè)階段借助數(shù)據(jù)處理技術(shù)大大提升物理層安全性。當(dāng)前，我國(guó)很多研究學(xué)者都已經(jīng)對(duì)安全波束賦形方案做出定義，而且也開始研究預(yù)編碼方案，但很多竊聽人員問題都沒有得到有效解決，所以必須要對(duì)其安全性做出深入的分析，以此確保5G在運(yùn)行過程中不會(huì)出現(xiàn)異常，進(jìn)而為廣大用戶提供一種全新的使用體驗(yàn)，方便人們通信和上網(wǎng)。

參考文獻(xiàn)

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[3] 彭佩雯.淺談5G通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)策略[J].計(jì)算機(jī)產(chǎn)品與流通，2019（6）：46.

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[5] 劉春陽，馬英，陳周天，張萬東.5G通信中的增強(qiáng)物理層安全信號(hào)處理技術(shù)探討[J].通訊世界，2017（20）：66-67.