5G通信中的增強物理層安全信號處理的技術(shù)

鄭曙祥

摘? 要：我國即將進入5G時代，而在5G中增強物理層安全信號處理技術(shù)是不可或缺的重要組成部分，其直接影響5G的運行速度以及運行質(zhì)量，所以科研人員必須要重視這項技術(shù)?；诖?，該文從兩階段對5G通信中的增強物理層安全信號處理技術(shù)進行分析，一是數(shù)據(jù)發(fā)射階段采用物理層安全信號處理技術(shù);二是信道估計階段采用物理層安全信號處理技術(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? 處理技術(shù)? 增強

中圖分類號：TN911.7 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）09（a）-0010-02

最近幾年，人們越來越重視物理層，從該階段來發(fā)現(xiàn)加強穩(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)射機端必須要安裝大型的天線，所以這樣就可以使信號變得更加自由，而且也可以帶動物理層信號處理技術(shù)不斷創(chuàng)新和不斷發(fā)展。相對于傳統(tǒng)的技術(shù)而言，該處理技術(shù)并不復雜，而且其高層協(xié)議也是相當簡單的，具有一定的優(yōu)勢。

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

通常，將該數(shù)據(jù)流進行分配以及權(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)揮出改變信號的作用后，再將其發(fā)射到天線，即預編碼。因此，波束賦形在預編碼的范圍內(nèi)，但經(jīng)過比較，預編碼工作原理是相對復雜的，而波束賦形是相當簡單的，設(shè)計也十分直觀[1]。因此，為了使竊聽人員獲得的信號不斷減少，必須要重視竊聽人員和主信道二者之間的差異，使竊聽者不能及時接收相應的信號，為了實現(xiàn)該目標，發(fā)射端需要將人工噪音添加到信號中，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，所以對很多竊聽人員都能夠產(chǎn)生干擾作用。然而因為通信往往在很多終端上產(chǎn)生作用，所以發(fā)射端通常在信號發(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)射端都會運用zf預編碼技術(shù)對所有人工噪聲進行有效處理，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)信號對人工噪聲使用進行合理的分配，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)射機公路受到約束，采用人工噪聲很有可能降低數(shù)據(jù)信號自身的發(fā)射功率，進而使得用戶的SINR減少[2]。因此，合理分配人工噪聲以及數(shù)據(jù)信號之間的功率，有利于獲取較高的安全性。如果發(fā)射機對竊聽人員的CSI是不了解的，或者僅僅掌握統(tǒng)計的CSI，這樣就難以確保功率分配是準確的。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? 信道估計階段采用物理層安全信號處理技術(shù)

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

2.1 從訓練到反饋，再從反饋到在訓練

這套方案把訓練過程劃分成若干個訓練階段。早期階段，發(fā)射機只要發(fā)生基礎(chǔ)的導頻序列，目的端就會及時接收此訓練信號，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，這個人工噪聲很有可能影響目的端導頻練習，即便影響力度小，但是還是會導致竊聽人員信道估測性能出現(xiàn)明顯的惡化。目的端對信道做出估計后，必須要向發(fā)射端進行第二次反饋，再由發(fā)射端對之前的反饋結(jié)果進行歸納，進而大大提升CSI進度[3]。最后，發(fā)射端需要將人工噪聲以及導頻練習信號第三次發(fā)射出去，直至發(fā)射端獲取理想的額CSI結(jié)果。這套方案采用導頻功率較少以及反復練習過程直至發(fā)射端慢慢獲取準確性強的CSI，這樣就能夠在相對準確的信道子空間中加入人工噪聲，讓人工噪聲不會嚴重影響整個目的信道估測過程。

2.2 雙向訓練過程

第一套方案因為必須要有反復的前后練習以及反復過程，導致通信費用相當大，通信水平不高。對于導頻雙向訓練方案來講，其在很大程度上能夠彌補第一種訓練方案存在的不足。通過使用此方案能夠使目的端主要進入到導頻訓練中，也就是使目的端也可以將導頻訓練信號成功發(fā)送出去[4]。通常，可以將其劃分成多種情況，主要包括兩種：一是工作在時分多址的系統(tǒng);二是工作在頻分多址系統(tǒng)。

就工作在時分多址系統(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，在方向訓練階段首先目的端將已經(jīng)獲得的訓練信號發(fā)射到源端，源端準確估測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，通過利用源端轉(zhuǎn)置估測的信道，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，也就是前向訓練階段，源端又一次將導頻信息從源端發(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CSI性能發(fā)生惡化。

就工作在頻分多址系統(tǒng)來講，因為前向以及反向信道工作頻點存在差異，信道不具備互易性。面對該情況，必須要設(shè)置一個訓練過程，也就是round trip。整體來講，第一，在反向訓練階段將已經(jīng)獲得的訓練信號從目的端發(fā)送到源端，源端估測出反向信道H。第二，采用round trip訓練，也就是從源端到目的端。通常，源端需要將隨機抽取的訓練信號廣播除去，如若只是依賴發(fā)射機已知。不管是目的端還是竊聽人員，都不了解這個訓練信號，目的端利用放大轉(zhuǎn)發(fā)的方法將成功接收的信號向發(fā)射機發(fā)送，這樣遠端就能夠獲取前向以及反向信號的乘積，運用第一階段獲取的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)合估計所得的H2，將其放入到零空間噪聲中，再進入到接下來的前后訓練階段中?，F(xiàn)如今，我國相關(guān)研究學者并沒有深入分析這些導頻訓練方案獲取額性能?？紤]最適合的導頻訓練序列長度，最適合的人工噪聲功率分配以及導頻功率仍舊不多。

3? 結(jié)語

總而言之，5G中的增強物理層安全信號處理技術(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，又能夠在信道預測階段借助數(shù)據(jù)處理技術(shù)大大提升物理層安全性。當前，我國很多研究學者都已經(jīng)對安全波束賦形方案做出定義，而且也開始研究預編碼方案，但很多竊聽人員問題都沒有得到有效解決，所以必須要對其安全性做出深入的分析，以此確保5G在運行過程中不會出現(xiàn)異常，進而為廣大用戶提供一種全新的使用體驗，方便人們通信和上網(wǎng)。

參考文獻

[1] 馬飛.5G通信關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（11）：11.

[2] 王昊.面向5G無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（11）：12.

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

[4] 謝啟珍.5G通信關(guān)鍵技術(shù)探討[J].計算機產(chǎn)品與流通，2019（6）：50.

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