基于5G通信增強物理層安全信號處理技術分析

楊金梅

摘要：在通信行業快速發展的今天，5G通信技術的水平也在不斷提高，為了保證通信網絡的安全，技術人員引入了增強物理層安全信號處理技術。雖然目前我國在這方面已經取得了一些成績，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仍然是技術人員當前所研究的重點。本文主要介紹了5G通信網絡的重要性和5G通信物理層的關鍵技術，重點對物理層安全信號處理進行了分析。

關鍵詞：5G通信;物理信道;物理層安全;信號處理

1.5G通信網絡的重要性

1.1提高資源利用率

通信網絡1G到5G的變化可以說是天差地別，尤其是在3G網絡出現后，移動網絡的速度更是發生了巨大的變化。現在人們也經常會將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。技術人員通過對4G傳輸波形的網絡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量也會造成一定的影響。其實4G網絡的出現，已經增加了頻譜資源，而5G網絡的應用使頻譜資源的利用率得到了進一步的提升[1]。

1.2擴展系統容量

通信技術的水平越來越高，網絡的傳輸速度也在不斷增加，再加上電子產品的種類和數量不斷的增多，使互聯網、信息安全以及傳媒等行業都進入了信息化時代，人們接收信息的速度也越來越快。根據相關行業數據，現在全世界的通用信息量增加了1000多倍，而且還在繼續增加。雖然到目前為止數據信息仍然在增加，但是很多的4G技術卻不能保證信息傳輸的穩定性。5G網絡能夠擴大系統容量，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網絡出現后，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絡的發展。人們使用手機看視頻、看電影或者網上購物等，有了移動網絡的支持，這些操作都變得非常簡單。5G網絡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網絡能夠看更加高清的4K電影;看直播的速度也更快，還沒有卡頓;就連瀏覽網頁也可以處理語音和視頻業務。5G網絡的速度更快，覆蓋面更廣，用戶在使用時也無需擔心會出現卡頓現象。

2.5G通信物理層的關鍵技術

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量的傳輸等方面，毫米波通信具有一定優勢。通常情況下，網絡信號會出現擴散的情況，主要是因為在傳輸過程中信號出現了擴散，而且還受到了外部環境的干擾，導致信號出現丟失現象，因此在穿過建筑物時，信號會損失一部分能量。當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，但是信號的質量卻非常弱，甚至無法獲取。一些低頻信號則不同，當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大規模MIMO

大規模MIMO技術能夠提高頻譜效率，使得信號的傳播速度非常高，信號質量也非常好。早期人們使用MIMO技術時，需要安裝一個非常大的天線，還需要進行站點租用，隨著現代化技術的不斷改革與提升，雖然在技術方面有所提高，但是投入的成本也在不斷增加。尤其是在需要的數據量特別大的時候，極其容易因為網絡的卡頓而造成數據丟失，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，已經逐漸被淘汰了。技術人員在對大規模MIMO進行研究時，已經將其作為無線網絡的發展趨勢，另外它還是擴大基站最好的方式。盡管現在MIMO技術在最近幾年的研究已經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當下的移動通信，并如實的完成信號反饋，是技術人員面臨的重點問題和新的挑戰。

2.3高頻段的應用

移動通信網絡的發展速度非常快，由于4G通信系統的頻段明顯比3G赫茲的要低，網絡的使用人數也在不斷的增加，如果頻帶低于3G赫茲，網絡會因為承受不起而崩潰。隨著5G技術的應用，技術人員在高頻領域使用大范圍的MIMO，能夠在3G赫茲的基礎上，為用戶提供更多的數據信息，同時還克服了很多高頻帶傳輸的缺陷，解決了頻帶資源短缺的問題。

3.物理層安全信號處理技術

3.1波束賦形與預編碼

3.1.1沒有人工噪聲的安全波束賦形與預編碼

首先技術人員要考慮 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，而此時的發射器必須要在發射信號之前來執行預編碼。MISOME情況下的安全容量具有一定的非凸特性，無法實現最優的方法來解決編碼矩陣。問題的最佳解決方式是鞍點，但是最優解不是以閉合的形式存在的，需要在數值上進行求解。

3.1.2有人工噪聲的波束賦形與預編碼

技術人員為了降低竊聽者的信道質量，還可以增加主信道與竊聽信道之間的差異，使竊聽者無法實現竊聽功能。采用的方法是，發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。如果發射機了解主信道的信道狀態信息CSI，那么發射機可以將所要加入的人工噪聲投射到主信道的空間中。當在MISOME的狀態下，技術人員可以采用次優匹配濾波的方法來避免非最優波束的形成。

3.2數據信號與功率分配

為了更好的實現網絡安全性能，技術人員要合理的進行數據信號和人工噪聲之間的分配，當發射機沒有發現竊聽者的CSI時，則無法進行準確的功率分配來實現安全系數的最大化。在目前的情況下來看，功率的分配策略是在性能指標估計的基礎上，例如安全系數、中段概率等指標。在MISOME的情況下，當發射機了解主信道的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。但是如果發射機對主信道的CSI和竊聽信道的CSI了解不完善時，根據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

技術人員在進行物理層的處理時，首先要確定信道發生干擾時竊聽者的信道預測精準度降低，而且可以通過反復的處理來降低竊聽者預測的精準度。在預先確定信道的時間中，技術人員可以通過校正反饋重新校準法和雙向校正法兩種方式來提高物理層信號傳輸的安全性。

3.3.1反饋與重新校正

該方法將訓練過程劃分為好幾個階段，首先是信號傳輸的最早階段，發射機要先確定導頻的序列，然后才能開始發送信號。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估，并將其反饋到發射機上。發射機會再重新發送新的導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。在信道進行預判決之后，接收機將信息反饋到發射機上，然后發射機將前兩個反饋的結果進行組合，從而得到CSI的精度，有效的改進預測，預測的準確度和前兩個反饋結果精度是成正比的。發射機發送具有人工噪聲的導頻信號，一直到其能夠得到更好的反饋結果為止。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化，重點解決了之前存在的問題。雙向校正最大的優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，在發送端就能完成相關信息的收集工作。雖然載波系統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，同時還會不斷的發出校正信號。互異性特征變強也會導致竊聽者獲取的信息更加完善，很難識別竊聽者。目前來看，技術人員還要對其進行不斷的完善和研究，才能保證質量。

結束語：目前5G網絡已經給用戶帶來了很多便利，提高了網絡速度和用戶體驗，技術人員通過物理層安全信號處理，不斷提高數據傳輸的安全性，進一步加強網絡可靠性。技術人員還在繼續研究與完善，滿足不同行業對網絡的需求。

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[J].科技資訊，2019，17（25）：10-11.