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        5G 通信中的增強物理層安全信號處理技術

        2020-01-08 13:04:05劉宏嘉王鑫炎
        通信電源技術 2020年6期
        關鍵詞:源端賦形信號處理

        劉 蕊,劉宏嘉,王鑫炎

        (1.中國聯(lián)通舟山分公司,浙江 舟山 316000;2.中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司浙江省分公司,浙江 杭州 310053)

        0 引言

        隨著信息化的深入發(fā)展,網(wǎng)絡業(yè)務越來越多,5G通信技術應運而生。但是,從實際情況來看,5G 通信技術中存在很多問題。例如,用戶在通信過程中存在被竊聽的風險,之前是利用網(wǎng)絡層進行加密保護解決該問題,但是這種方式在秘鑰管理當中仍然存在不足。而增強物理層安全信號處理技術可以有效解決竊聽問題,限制竊聽者的信號強度,因此應該對5G 通信中的增強物理層安全信號處理技術進行深入研究。

        1 5G 移動通信技術的概念

        隨著移動數(shù)據(jù)需求的不斷增長,4G 通信技術已經(jīng)無法滿足社會需求,所以相關人員研究出了5G 通信技術。5G 通信技術指的是第五代通信技術,屬于數(shù)字蜂窩移動通信技術,是對4G 通信技術的延伸。5G 通信技術的出現(xiàn)不僅提高了數(shù)據(jù)傳輸速率、節(jié)省了能源,而且降低了成本。例如,5G 通信技術的數(shù)據(jù)傳輸速率比4G 快近百倍,且網(wǎng)絡延遲時間也比較短,在1 ms以內(nèi),所以5G 通信技術的應用范圍較為廣泛[1]。但是,5G 通信技術仍然沒有解決竊聽這一問題,用戶在通信過程中面臨被竊聽的風險,而只有增強物理層安全信號處理技術才能夠降低竊聽風險。

        2 數(shù)據(jù)發(fā)射過程中的物理層安全信號處理技術

        在應用5G 移動通信技術時,如果不做好隱私保護工作以及信息加密工作就會威脅到用戶安全,當前在數(shù)據(jù)發(fā)射階段常用波束賦形技術以及加入干擾信號技術這兩種信號處理技術相結合的方式,以增強信息安全性。

        5G 移動通信技術的數(shù)據(jù)傳輸速率非常高,但是信號保護是5G 通信技術的弱點,隨著5G 通信技術應用范圍的擴大,5G 通信當中的信號保護問題受到了廣泛關注。波束賦形技術是數(shù)據(jù)發(fā)射階段中的安全信號處理技術,又被稱之為空域濾波、波束成型,是利用傳感器定向發(fā)送信號和定向接收信號的信號處理技術[2]。這是一種常見的保護數(shù)據(jù)安全的技術,通常采用矩陣形式對數(shù)據(jù)流進行重新排列組合。對數(shù)據(jù)流進行重新分配就是預編碼,也就是說波束賦形屬于預編碼,但是波束賦形又比預編碼更為簡單,所以應該合理應用波束賦形技術,保護用戶的通信安全。但是當前移動智能終端的數(shù)據(jù)處理能力比較低,僅利用波束賦形技術無法完全保障信息的安全性,仍然有可能會被破譯,所以在應用這種技術時應該綜合考慮實際情況并結合其他信號處理技術,從而保障信息安全。例如,可以將加入干擾信號這種處理技術和波束賦形技術結合起來。加入干擾信號主要是加入人工噪聲,即利用預編碼技術加入人工噪聲,這樣可以在保證干擾效果的基礎上削弱多用戶之間的干擾。應用人工噪聲可以有效降低竊聽者的信道強度,但是在發(fā)射機功率等因素的影響下,如果應用人工噪聲就會影響到數(shù)據(jù)的發(fā)射功率,因此需要做好數(shù)據(jù)信號以及人工噪聲這兩者的功率分配工作[3]。同時,還應該平衡好數(shù)字信號以及人工噪聲信號之間的幅度,避免影響到數(shù)據(jù)信息的完整度。

        3 信號處理過程中的物理層安全信號處理技術

        若想從本質上提高5G 通信技術中的信號安全性就需要在不同的階段采用不同的數(shù)據(jù)處理辦法,不僅要在數(shù)據(jù)發(fā)射階段中加強技術保護,也需要在信號處理過程中加強技術保護。當前,信號處理過程常用的兩種解決方案分別是在攔截信號之后,對攔截者的信道進行干擾的校正方案,另一種是能夠彌補第一種校正方案不足的雙向校正方案。

        3.1 重復性的信號反饋與校正方案

        在信號處理階段中應用重復性的信號反饋與校正方案可以對攔截者的信道預判造成干擾。這種方式主要是利用發(fā)射端發(fā)射導頻訓練信號以及人工噪聲,以對竊聽者的信道造成影響。

        一旦攔截者將信號攔截下來之后,攔截者就會預判5G 通信網(wǎng)絡的信道,繼而盜取用戶信息,這樣就會對用戶的通信安全造成影響,因此需要對這個過程進行干擾。而利用重復性信號反饋與校正能夠處理這一問題,但是這一過程十分復雜。首先,在發(fā)射信號時需要整合導頻序列,開啟預設的信號處理工序對信號進行處理,經(jīng)過處理之后再將信號發(fā)送出去。其次,當發(fā)射端接收到新的導頻序列時,需要增加人工噪聲干擾信號,并將人工噪聲干擾信號和導頻訓練信號一同放在CSI 零空間當中。CSI 零空間承擔著反饋目的端的數(shù)據(jù)信息這一重任,而目的端能夠阻滯智能信息,對竊聽者的信道造成強大干擾。最后,目的端會再次將信息反饋到發(fā)射端,發(fā)射端會綜合分析之前的結果,總結出一個完整的導頻序列,從而增強CSI 的精度[4]。將發(fā)射端、信道以及CSI 零空間三者結合在一起,能夠提高校正工作的效率。

        3.2 雙向校正方案

        重復性的信號反饋與校正方案需要重復多次進行校正與反饋工作,會消耗大量的資源,增加成本,也會降低通信效率,而利用雙向校正方案能夠彌補重復性的信號反饋與校正方案的不足,因此應該合理應用雙向校正方案。雙向校正方案能夠實現(xiàn)雙向的信號校正,提高信號校正的質量。雙向校正方案涉及到了目的端,所以在這一方案當中目的端也需要發(fā)送導頻訓練信號。當前,將雙向校正方案分為了兩種情形,一種是系統(tǒng)在時分多址中工作,一種是系統(tǒng)在頻分多址中工作。

        (1)系統(tǒng)在時分多址中工作

        在這種情形下,前向以及反向信道具有信道互易性。所以在第一階段(反向訓練)中,目的端需要先將已知的訓練信號發(fā)送到源端,然后源端會對信道信息進行估計以及轉置,這樣就可以獲得目的端和源端之間的信道。此時,竊聽者無法估計出源端到竊聽者信道的信息,只能估計出從目的端到竊聽者信道的信息。在第二階段(前向訓練)中,源端會將導頻信息發(fā)射到目的端,這一過程中加入的有人工噪聲,也能夠對竊聽者造成干擾。

        (2)系統(tǒng)在頻分多址中工作

        在這種情形下前向信道和反向信道的工作頻點不同,所以信道不具有互易性,就需要加入一個“roundtrip”這種訓練過程[5]。首先,在反向訓練中,目的端會將已知信號發(fā)送給源端,源端會估計出反向信道。其次,需要加入“round-trip”這一訓練過程。源端會選出一個訓練信號,目的端會給發(fā)射機傳輸信號,這時源端就可以得到前向及反向信道。最后,源端會加入噪聲,然后再開展前向訓練。

        4 結論

        增強物理層安全信號處理技術不僅可以增強數(shù)據(jù)發(fā)射階段的數(shù)據(jù)安全性,也可以增強信號處理過程中的數(shù)據(jù)安全性,因此應該積極應用波束賦形、雙向校正方案等方案。但是,當前仍然沒有有效解決非完美CSI 以及多個竊聽者的情況,因此仍需加強研究。

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