基于MIMO-OFDM的5G通信跨層安全傳輸技術(shù)研究

黃 凌，林 倫

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

我國于2012年首次提出了5G通信的概念，作為滿足通信業(yè)務(wù)需求的飛速增長而發(fā)展起來的新一代通信技術(shù)，5G通信具備很高的用戶體驗、傳輸速率、能效以及頻譜利用率，是通信領(lǐng)域目前的研究熱點[1]。為迎合信息社會的不斷發(fā)展以及未來通信領(lǐng)域的發(fā)展需求，5G通信技術(shù)將會與其他種類的通信技術(shù)相融合，發(fā)展成具備網(wǎng)絡(luò)自調(diào)整、自感知的新一代通信網(wǎng)絡(luò)[2]。對于5G通信網(wǎng)絡(luò)而言，由于其相比有線通信而言傳輸更加不穩(wěn)定、終端具備移動性、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加多樣，因此很容易被竊聽用戶身份信息、用戶數(shù)據(jù)、信令信息等通信內(nèi)容，存在著更大的安全風(fēng)險，因此保障其跨層安全傳輸對于5G通信技術(shù)而言意義重大。本文基于此背景對5G通信跨層安全傳輸技術(shù)進行研究，并將MIMO-OFDM應(yīng)用于5G通信跨層安全傳輸技術(shù)中，提出了一種基于MIMO-OFDM的5G通信跨層安全傳輸技術(shù)。

1 5G通信跨層安全傳輸技術(shù)設(shè)計

1.1 構(gòu)建5G通信系統(tǒng)認(rèn)證模型

首先對5G通信系統(tǒng)認(rèn)證模型進行構(gòu)建，以通過物理層對5G通信網(wǎng)絡(luò)進行安全認(rèn)證。構(gòu)建的模型具體如圖1所示[3]。該5G通信系統(tǒng)認(rèn)證模型的具體安全認(rèn)證流程如下。

（1）Bob和Alice 首先互相發(fā)送導(dǎo)頻信號，并以此為依據(jù)實施信道估計，以獲取相關(guān)度較高的信道信息序列SBob與SAlice。在該過程中，Eve 進行被動竊聽，獲取信道信息序列SEve。

（2）Alice要向Bob傳送消息M，經(jīng)編碼后獲得了SX序列，其編碼函數(shù)如下：fM:M,SAlice→SX，其中fM代表編碼函數(shù)。

（3）經(jīng)有噪信道后，消息接收者Bob實現(xiàn)了SY序列的接收，通過進行譯碼對消息M進行還原或?qū)ο⑦M行拒絕，其解碼函數(shù)如下：gM=SY,SBob→M∪{⊥}，其中g(shù)M代表解碼函數(shù)；⊥代表解碼失敗，也就是認(rèn)為不是Alice發(fā)出的該消息。

（4）編解碼碼本的構(gòu)成碼字為|M|Nc個，信道信息序列所對應(yīng)的典型集為Nc個，各消息分別與|M|個子集里的一個相對。

圖1中SZ代表Eve 所接收的序列；M'代表Eve發(fā)送的、想要使Bob接收的消息。在構(gòu)建的5G通信系統(tǒng)認(rèn)證模型中，Bob認(rèn)證Alice所發(fā)的消息，利用互換角色即可實現(xiàn)二者之間的雙向認(rèn)證[4]。

1.2 加密發(fā)射端

基于MIMO-OFDM系統(tǒng)制訂5G通信跨層安全傳輸方案，方案包括兩個方向，一個方向是加密發(fā)射端，另一個方向是解密接收端，以實現(xiàn)5G通信跨層安全傳輸[5]。

首先通過MIMO-OFDM系統(tǒng)對發(fā)射端進行加密處理，具體步驟如下：

（1）將兩個序列發(fā)生器（偽隨機）所產(chǎn)生的密匙流分別用a與b來表示，這兩個密匙流相互獨立，對其進行定義，具體如下。

式（1）中ai、bi代表i時刻兩個密匙流的偽隨機序列值，二者均屬于1到-1的區(qū)間。

（2）在MIMO-OFDM系統(tǒng)IDFT調(diào)制模塊N點前端對兩個密匙流的組合形式即秘密對角矩陣進行添加，并且其該秘密對角矩陣由通信雙方進行預(yù)先共享，以組成一個新的調(diào)制模塊，通過該調(diào)制模塊實現(xiàn)發(fā)射端的加密。

1.3 解密接收端

解密接收端的步驟具體如下：

（1）通過描述轉(zhuǎn)換對接收信號實施變頻處理，獲取密文。

（2）對加密之后的頻域信號實施恢復(fù)處理。

（3）發(fā)射端與合法用戶對兩個密匙流進行共享，并生成發(fā)射端加密時所使用矩陣的對應(yīng)逆矩陣。

（4）對正確的通信頻域信號進行恢復(fù)。

（5）對輸出數(shù)據(jù)流進行解調(diào)。

由于竊聽者不清楚秘密序列，因此其需要通過對秘密序列進行猜測來實施接收檢測，具體步驟如下：

（1）對加密之后的頻域信號進行恢復(fù)。

（2）對秘密序列進行猜測。

（3）對秘密矩陣進行生成。

（4）完成頻域信號的恢復(fù)。

而由于秘密序列較長，竊聽者在噪聲環(huán)境下很難完全實現(xiàn)密匙的破解，恢復(fù)出來的頻域信號往往是錯誤的，譯碼時誤碼率極大，實現(xiàn)5G通信跨層安全傳輸。

2 跨層安全傳輸實驗驗證

2.1 實驗設(shè)計

為驗證設(shè)計的基于MIMO-OFDM的5G通信跨層安全傳輸技術(shù)的性能，進行對比實驗。以高斯信道為實驗條件進行5G通信跨層安全傳輸實驗。實驗中發(fā)射端發(fā)射的幀數(shù)為兩千幀，各幀的OFMD符號為12個。實驗中的5G通信系統(tǒng)采用的IDFT/DFT共256點，其中子載波信號共192個；虛擬子載波共64個；并加入循環(huán)前綴64個。利用基于MIMO-OFDM的5G通信跨層安全傳輸技術(shù)在信噪比逐漸增加的情況下測試接收者的誤碼率作為實驗數(shù)據(jù)。為避免本次實驗結(jié)果過于單一，將基于竊聽信道模型、基于概率分布函數(shù)的5G通信跨層安全傳輸技術(shù)作為實驗中的對比技術(shù)進行三種技術(shù)的對比實驗。同樣利用基于竊聽信道模型、基于概率分布函數(shù)的5G通信跨層安全傳輸技術(shù)進行5G通信實驗，并獲取在信噪比逐漸增加的情況下兩種技術(shù)的接收者誤碼率作為對比實驗數(shù)據(jù)。再比較三種方法的接收者誤碼率對比實驗數(shù)據(jù)。

2.2 實驗結(jié)果分析

在信噪比逐漸增加的情況下，本文技術(shù)與基于竊聽信道模型、基于概率分布函數(shù)的5G通信跨層安全傳輸技術(shù)的接收者誤碼率對比實驗數(shù)據(jù)具體如表1所示。

表1 接收者誤碼率對比實驗數(shù)據(jù)

根據(jù)表1的接收者誤碼率對比實驗數(shù)據(jù)可知，在信噪比逐漸增加的情況下，基于MIMO-OFDM的5G通信跨層安全傳輸技術(shù)的接收者誤碼率低于基于竊聽信道模型、基于概率分布函數(shù)的5G通信跨層安全傳輸技術(shù)的接收者誤碼率。

3 結(jié) 論

相比4G通信技術(shù)，5G通信在無線覆蓋性能、資源利用率以及數(shù)據(jù)傳輸速率等方面都實現(xiàn)了顯著的提升。此次提出基于MIMO-OFDM的5G通信跨層安全傳輸技術(shù)，有效降低了接收者誤碼率，對于5G通信技術(shù)的發(fā)展有很大意義。