5G毫米波通信中的物理層安全預(yù)編碼

倪云云 陳伯慶 李剛

摘要：安全預(yù)編碼是一種信號處理技術(shù)，即發(fā)送端根據(jù)信道狀態(tài)信息設(shè)計(jì)預(yù)編碼矩陣，從而對信號進(jìn)行預(yù)處理。該技術(shù)旨在保證合法用戶通信質(zhì)量的前提下，惡化竊聽信道，在信息理論意義上實(shí)現(xiàn)無線通信系統(tǒng)的安全傳輸。認(rèn)為物理層安全技術(shù)與移動通信的發(fā)展密不可分，利用毫米波信道稀疏特性開發(fā)物理層安全預(yù)編碼技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)5G通信與安全一體化發(fā)展。從長期角度為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化部署提供指導(dǎo)，提升網(wǎng)絡(luò)流量水平，釋放流量增長潛力。

關(guān)鍵詞：5G；毫米波；物理層；安全通信；預(yù)編碼

Abstract： Secure precoding is a signal processing technique. Precoding matrix is designed at the transmitter to pre-process signal based on channel state information， aiming to ensure the communication quality for legitimate users and worsen the eavesdroppers channels. Secure transmission of wireless communication systems is realized in the sense of information theory. The physical layer security technology is inseparable from the development of mobile communication. By developing physical layer security precoding technology with millimeter-wave channel sparse characteristics， it is expected to realize the integrated development of 5G communication and security.

Keywords： 5G； millimeter wave； physical layer； secure communications； precoding

2019年6月6日，中國正式進(jìn)入了5G商用階段。5G通信系統(tǒng)采用了大規(guī)模多輸入多輸出（Massive MI？ MO）、毫米波、非正交多址接入（NO？ MA）等關(guān)鍵技術(shù)[1]，將以超過千兆的比特率以及低于1 ms的延遲，滿足大容量、高速率、低延遲的通信需求。5G關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展不斷提升合法用戶的性能，但同時這些技術(shù)也可能會被竊聽者惡意利用，從而影響通信安全。5G通信中，不同場景下的用戶對于通信質(zhì)量的需求各異，例如海量機(jī)器類通信（mMTC）、增強(qiáng)移動寬帶（eMBB）等場景下的用戶對無線業(yè)務(wù)的需求大相徑庭。我們需要針對不同場景下的用戶需求，并結(jié)合5G新技術(shù)和獨(dú)特的無線信道特性，研究相適的安全通信策略，以滿足5G通信中多場景、多等級的彈性安全需求。

相比于傳統(tǒng)安全機(jī)制，物理層安全（PLS）技術(shù)充分利用無線信道的時變性和多樣性，以及合法通信雙方信道的唯一性和互易性等內(nèi)生安全特性[2]，保障比特流的安全傳輸，使比特流不依賴于傳統(tǒng)的密鑰便有望實(shí)現(xiàn)香農(nóng)于1949年在《保密系統(tǒng)的通信理論》中提出的基于信息論意義上的“完美安全”[3]。傳統(tǒng)安全技術(shù)主要在上層實(shí)施，如數(shù)據(jù)鏈路層的認(rèn)證機(jī)制和應(yīng)用層的加密機(jī)制。PLS技術(shù)作為上層安全的有力補(bǔ)充，與傳統(tǒng)安全機(jī)制相輔相成，極大地增強(qiáng)整個通信系統(tǒng)的安全性能。

如圖1所示，PLS分為物理層認(rèn)證、無密鑰安全技術(shù)和密鑰生成技術(shù)。物理層認(rèn)證技術(shù)利用無線信道特性區(qū)分合法用戶和竊聽用戶，防范入侵者的假冒攻擊。無密鑰安全技術(shù)基于A.D.WYNER提出的竊聽信道模型[4]，在已知的信道狀態(tài)信息（CSI）指導(dǎo)下設(shè)計(jì)安全預(yù)編碼矩陣和安全信道編碼方案，以實(shí)現(xiàn)無密鑰安全。安全預(yù)編碼方案利用CSI設(shè)計(jì)預(yù)編碼矩陣，以最大化保密容量為目標(biāo)設(shè)計(jì)優(yōu)化問題并求最優(yōu)解，實(shí)現(xiàn)合法用戶的安全通信。安全預(yù)編碼方案包括波束成形、人工噪聲以及天線子集選擇等。波束成形是通過設(shè)計(jì)預(yù)編碼矩陣調(diào)節(jié)發(fā)射天線陣列或其子陣列，將發(fā)送信號的能量集中到合法用戶方向，以提高合法用戶的信道條件，從而增強(qiáng)接收信號質(zhì)量。人工噪聲利用無線信道以及噪聲內(nèi)在的隨機(jī)性，使得合法用戶的信道質(zhì)量優(yōu)于竊聽者信道，以保證合法用戶的信噪比高于竊聽者，從而達(dá)到安全傳輸?shù)哪康?。天線子集選擇在保證合法用戶正常接收信號的同時，擾亂竊聽者星座圖，使竊聽者無法準(zhǔn)確解調(diào)信號。而物理層密鑰生成技術(shù)利用無線傳輸信道的互易性和唯一性，并根據(jù)通信雙方隨機(jī)變化的無線信道生成安全可靠的密鑰。物理層安全不需要特定的硬件系統(tǒng)，與上層結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立，易應(yīng)用于現(xiàn)有的通信系統(tǒng)。物理層安全可以在5G及未來的無線通信領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

15G毫米波無線信道特征分析

1.1毫米波頻段Massive MIMO信道分析

為了實(shí)現(xiàn)最高20 Gbit/s的網(wǎng)速，5G要將帶寬提高到1 GHz以上。目前，6 GHz以下已經(jīng)沒有足夠的頻段了，因此5G使用了毫米波技術(shù)。毫米波頻段高、頻譜資源豐富，具有更高的信道容量。5G通信將在毫米波頻段獲得較高的通信帶寬，并采用基于大規(guī)模有源陣列天線的Massive MIMO技術(shù)來大幅提升接入網(wǎng)性能。毫米波通信在鏈路的收發(fā)端使用Massive MIMO，所具有的信道容量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越香農(nóng)公式中基于單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)所給出的信道容量限制。在Massive MIMO系統(tǒng)中引入波束成形技術(shù)，將波束集中到指定位置，不僅可以提高能量效率，還可以減少不同用戶之間通信的互相干擾，允許單一基站（BS）接入海量的設(shè)備，提升基站容量，實(shí)現(xiàn)“萬物互聯(lián)”。

在傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)中，我們通常假設(shè)信道為瑞利衰落信道，并使用最小二乘法等進(jìn)行信道估計(jì)，發(fā)射導(dǎo)頻序列的長度隨著MIMO信道矩陣的維度增加而增加。圖2的Massive MI？ MO系統(tǒng)模型實(shí)現(xiàn)了水平面的波束成形，還能夠利用更多的振子和信道實(shí)現(xiàn)垂直面的波束成形。毫米波Mas？ sive MIMO系統(tǒng)的信道估計(jì)，對計(jì)算能力要求更高。這使得導(dǎo)頻開銷增加，帶寬占用更多，系統(tǒng)吞吐量下降。不同于傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)，毫米波Massive MIMO系統(tǒng)可以采用混合波束架構(gòu)對信道數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，一條射頻鏈路對應(yīng)多根天線[5]。大量的毫米波信道測量表明，毫米波信道具有空間域稀疏的特性。利用空時傅里葉變換，毫米波Massive MIMO信道的稀疏性可以在波束域上得以體現(xiàn)?；诤撩撞∕assive MIMO信道的稀疏性，利用壓縮感知等技術(shù)可以有效地進(jìn)行信道估計(jì)，并降低導(dǎo)頻開銷。

1.2毫米波頻段的信道稀疏性分析

毫米波通信頻段高、波長短，巨大的路徑損耗導(dǎo)致其呈現(xiàn)稀疏散射特性。Massive MIMO技術(shù)的使用，使得信道矩陣維度增大，因此傳統(tǒng)的瑞利信道模型并不適合毫米波信道建模。為此，研究人員提出了針對毫米波無線通信的信道模型——分簇射線（Cluster-Ray）模型[6]。

在毫米波通信中，我們利用分簇射線模型來描述毫米波信道：信道被表示為多個分簇，入射角相似的路徑歸為同一簇，毫米波信道包括視距（LOS）路徑和分簇中的非視距（NLOS）路徑。毫米波稀疏性信道如圖3所示。

波束空間信道矩陣Hb是天線域信道矩陣H的酉等價表示，即Hb是信道H在傅里葉正交集上的投影。經(jīng)過轉(zhuǎn)換之后可以發(fā)現(xiàn)，Hb中只有個別元素的值較大，這些元素包含了信道的大部分功率，所以波束空間矩陣Hb呈現(xiàn)出明顯的稀疏特性。

在毫米波Massive MIMO系統(tǒng)中，基于毫米波信道在角度域上的稀疏性，可利用壓縮感知技術(shù)進(jìn)行信道估計(jì)，以降低導(dǎo)頻開銷。

1.3多用戶毫米波MIMO預(yù)編碼

在多用戶MIMO系統(tǒng)中，利用空分復(fù)用接入（SDMA）技術(shù)可以使系統(tǒng)獲取更高的信道容量。毫米波多用戶MIMO系統(tǒng)可以在相同的時頻資源上與多個用戶同時通信，并且發(fā)送多個數(shù)據(jù)流，極大地提升了系統(tǒng)的總頻譜效率，而且可以通過高波束成形增益提高傳輸?shù)目煽啃浴：撩撞ǘ嘤脩鬗IMO系統(tǒng)通常只需在發(fā)射端配置Massive MIMO陣列，因此接收端用戶采用傳統(tǒng)MIMO多天線即可。這不僅可以充分利用空間資源，提升系統(tǒng)容量，還可以有效地降低成本和復(fù)雜度。

圖4為多用戶MIMO系統(tǒng)模型。MIMO系統(tǒng)能夠充分利用空間自由度，基站端有多根天線用于信號傳輸，卻不要求接收端有多天線。發(fā)送端發(fā)射信號后經(jīng)過預(yù)編碼矩陣處理，將信號發(fā)送給接收端，接收端進(jìn)行信號解調(diào)并獲取有效信息。多用戶MI？ MO系統(tǒng)中的預(yù)編碼方案可以按照干擾信號處理的方式分為基于干擾抑制和基于干擾抵消的預(yù)編碼方案。通過發(fā)射端的預(yù)編碼處理，可以有效地消除多用戶間的干擾，提升系統(tǒng)保密容量；還可以減少接收端的解調(diào)難度，解決移動端的功耗和體積問題。

2毫米波安全預(yù)編碼

2.1經(jīng)典竊聽信道模型

1975年，A.D.WYNER提出了竊聽信道模型。在該模型中，假設(shè)竊聽信道為退化的合法信道，從而保證非負(fù)的保密能力。在合法信道質(zhì)量優(yōu)于竊聽信道時，總存在一種編碼方式，使得合法接收端在正確解調(diào)的情況下，實(shí)現(xiàn)信息的安全傳輸[7]；而當(dāng)竊聽信道質(zhì)量優(yōu)于合法信道時，則需要引入人工噪聲技術(shù)，惡化竊聽信道質(zhì)量，保證數(shù)據(jù)安全傳輸。

2.2數(shù)?；旌项A(yù)編碼

無線通信中的安全問題可以轉(zhuǎn)化為通信資源的分配和挖掘問題，安全能力的增強(qiáng)來自于通信能力的提升和通信資源的有效利用。為了挖掘空間自由度，并且能更有效地利用發(fā)送端能量，移動通信采用MIMO系統(tǒng)來提高物理層鏈路性能。5G通信中Massive MIMO技術(shù)帶來的天線陣列增益可以彌補(bǔ)毫米波傳輸過程中的高路徑損耗。

傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)通常采用數(shù)字預(yù)編碼方案，在基帶使用預(yù)編碼矩陣對信號進(jìn)行預(yù)處理。這要求每根天線單元有單獨(dú)的射頻（RF）鏈路，包括放大器、濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）/數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）等器件，為系統(tǒng)帶來空間復(fù)用及分集增益。在數(shù)字預(yù)編碼方案中，信號的幅度和相位可以靈活設(shè)置，從而提升通信效率。但在Massive MIMO系統(tǒng)中，使用全數(shù)字預(yù)編碼方案會產(chǎn)生高昂的硬件成本和功耗，因此在5G通信中的預(yù)編碼方案設(shè)計(jì)里，我們一般不考慮采用全數(shù)字預(yù)編碼方案。模擬預(yù)編碼技術(shù)指使用預(yù)編碼矩陣在RF端改變信號的相位，并通過低成本、低功耗的移相器完成相位的控制，因此從經(jīng)濟(jì)效益的角度考慮，模擬預(yù)編碼方案更受歡迎。但由于缺乏對幅度的控制，模擬預(yù)編碼的性能比數(shù)字預(yù)編碼差。為了在獲得天線增益的同時減少成本支出，可通過少量的射頻鏈連接基帶預(yù)編碼與射頻預(yù)編碼，采用數(shù)模混合架構(gòu)進(jìn)行無線信道的數(shù)據(jù)發(fā)射與檢測[8]。

2.3波束成形

波束成形是一種經(jīng)典的多天線技術(shù)，通過調(diào)整發(fā)送天線權(quán)重系數(shù)，使天線主瓣對準(zhǔn)合法接收用戶，從而減少信號泄露。波束成形提高合法用戶的信噪比，并降低潛在竊聽者的信噪比，提升系統(tǒng)安全容量。

圖7為Massive MIMO系統(tǒng)。Massive MIMO系統(tǒng)中的天線陣列為實(shí)現(xiàn)定向波束而部署，它可以利用波陣面相干疊加原理在指定方向增強(qiáng)波束，在其他位置削弱波束強(qiáng)度，從而增加信道容量。

文獻(xiàn)[10]研究了毫米波MIMOME系統(tǒng)的數(shù)?；旌项A(yù)編碼，在已知竊聽者CSI的情況下，提出模擬預(yù)編碼器和組合器的聯(lián)合設(shè)計(jì)以防止信息泄露，并基于等效基帶信道計(jì)算數(shù)字預(yù)編碼器和組合器以最大化安全速率。文獻(xiàn)[11]提出，在毫米波MISO系統(tǒng)中，可以使用離散角域信道模型來分析信道路徑，以獲得目標(biāo)用戶和竊聽者間公共信道路徑數(shù)目的概率分布函數(shù)，推導(dǎo)出最大比傳輸（MRT）連接概率的閉合表達(dá)式，并分析主動和被動竊聽者場景下的保密中斷概率。在MISOSE系統(tǒng)中，文獻(xiàn)[12]提出，使用相控陣傳輸結(jié)構(gòu)，并利用復(fù)平面中的多邊構(gòu)造解決星座合成問題，以符號速率改變傳輸權(quán)重向量，從而在接收端獲得預(yù)期的相位，并在竊聽者處產(chǎn)生隨機(jī)性。額外的隨機(jī)相位旋轉(zhuǎn)添加至發(fā)送權(quán)重向量中，在不顯著降低接收端符號檢測的可靠性的前提下，給竊聽者造成干擾。同樣，在MISOSE系統(tǒng)中，文獻(xiàn)[13]創(chuàng)建了由傳統(tǒng)相控陣和可編程功率放大器組成的可編程加權(quán)相控陣（PWPA）結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上提出反置天線子空間傳輸技術(shù)和優(yōu)化加權(quán)天線子空間傳輸技術(shù)，利用天線陣列的幅值權(quán)重?cái)_亂非預(yù)期方向的星座圖，并在非預(yù)期方向產(chǎn)生人工噪聲。PWPA增加了攻擊者向量估計(jì)的難度，從而提升系統(tǒng)的安全性能。

在隨機(jī)幾何架構(gòu)中的毫米波/微波異構(gòu)網(wǎng)中，文獻(xiàn)[14]基于隨機(jī)阻塞模型和固定視距模型，分析節(jié)點(diǎn)位置和阻塞模型的不確定性，描述保密中斷概率和條件鏈接概率，推導(dǎo)出LOS和NLOS下的條件保密中斷概率的上下限，利用阻塞提升系統(tǒng)保密性能。在竊聽者隨機(jī)分布的場景中，文獻(xiàn)[15]結(jié)合毫米波信道特性，推導(dǎo)隨機(jī)阻塞和保密中斷概率的閉合表達(dá)式，并分析不同參數(shù)對保密性能的影響。

合理的波束成形方案可將主波束對準(zhǔn)合法用戶，提高了信噪比，優(yōu)化了數(shù)據(jù)傳輸速率。同時，還可以限制竊聽者的接收信號功率，弱化其竊聽能力。但是，波束成形方案需要知道竊聽信道狀態(tài)信息或者其他反饋信息，這在現(xiàn)實(shí)中往往很難實(shí)現(xiàn)。

2.4人工噪聲

人工噪聲技術(shù)指基站端在傳輸信號的同時犧牲一部分發(fā)送功率，生成額外的干擾信號。將人工噪聲對準(zhǔn)合法信道的零空間，該干擾信號僅作用于竊聽者，從而可以降低竊聽者的信噪比，惡化竊聽信道質(zhì)量，同時不會影響合法用戶間的通信。

圖8為5G通信中的單基站多用戶模型。在單基站多用戶通信過程中，基站端與合法用戶間進(jìn)行正常的信號傳輸?；径丝梢苑殖霾糠止β?，向竊聽者發(fā)射人工噪聲干擾信號。利用CSI設(shè)計(jì)人工噪聲矩陣，并將其投影到合法用戶的零空間，可以干擾竊聽信道條件，降低竊聽者信噪比，從而使得保密容量非負(fù)，減少信號泄露。

文獻(xiàn)[11]研究了MISO毫米波系統(tǒng)的物理層安全，用空間可分解路徑來表示離散角信道模型，并推導(dǎo)出人工噪聲方法連接概率的閉合表達(dá)式。在保密中斷概率的約束下，最大化保密吞吐量，并獲得人工噪聲與信號間的功率分配參數(shù)。文獻(xiàn)[16]研究毫米波車聯(lián)網(wǎng)通信，通過混合波束成形將信號發(fā)送給接收方，向目標(biāo)方向發(fā)射人工噪聲。相比于傳統(tǒng)向所有非預(yù)期方向發(fā)射人工噪聲的方法，該方案可以避免向非竊聽方向發(fā)送噪聲。

在毫米波MIMOSE系統(tǒng)中，在竊聽者CSI未知的情況下，文獻(xiàn)[17]研究基于人工噪聲的混合波束成形方案。該方案可在中斷竊聽者接收信息的同時，將接收端的服務(wù)質(zhì)量維持在預(yù)期水平。

文獻(xiàn)[18]研究了毫米波系統(tǒng)慢衰落信道的安全傳輸，并在假設(shè)發(fā)送端已知部分竊聽CSI的情況下，提出了基于合法用戶和竊聽者路徑方向的人工噪聲傳輸策略。通過開關(guān)傳輸方案，并在保密速率的約束下，最小化保密中斷概率，同時推導(dǎo)了傳輸信號與人工噪聲間最優(yōu)功率分配的閉合表達(dá)式。

基于人工噪聲的安全傳輸技術(shù)，并通過生成干擾信號來擾亂竊聽信道，可使得合法用戶信道質(zhì)量優(yōu)于竊聽信道質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)物理層安全通信。人工噪聲技術(shù)適用于頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）系統(tǒng)，其方案設(shè)計(jì)需要了解精確的合法戶CSI，從而消除對合法用戶的干擾。若人工噪聲方案設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能會降低合法接收端的性能，甚至導(dǎo)致接收信號峰均比增大。

2.5天線子集選擇

天線子集選擇是在保證合法用戶正確解調(diào)信號的前提下，擾亂竊聽者星座圖，使其接收信號的幅度相位發(fā)生隨機(jī)旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生畸變，無法正確解調(diào)信號，從而降低接收信號的信噪比。

文獻(xiàn)[19]提出，如果發(fā)送端能獲得合法接收端和竊聽者的CSI，則可以選擇安全容量最大的一根天線來傳輸信號；如果僅知道合法接收端的CSI，則可以選擇使合法信道容量最大的天線來傳輸信號。文獻(xiàn)[20]提出一種基于點(diǎn)對點(diǎn)通信系統(tǒng)的低復(fù)雜度定向調(diào)制技術(shù)。通過驅(qū)動陣列中的一部分天線以符號速率調(diào)制輻射方向圖，在所需方向上投射出清晰的星座圖，并在其他方向上生成隨機(jī)星座圖。文中，我們給出兩種天線選擇算法：隨機(jī)天線子集選擇與模擬退火天線子集選擇。隨機(jī)天線子集選擇不會影響合法用戶方向接收器的符號解調(diào)，但會隨機(jī)化旁瓣方向竊聽者的接收信號幅度和相位。而基于模擬退火的天線子集選擇優(yōu)化算法，可以克服隨機(jī)天線子集選擇中旁瓣較大的問題，減少能量泄漏。文獻(xiàn)[16]提出一種用于車聯(lián)網(wǎng)毫米波通信系統(tǒng)的物理層安全方案。在單射頻鏈路天線陣系統(tǒng)中，該方案能夠隨機(jī)選擇天線子集進(jìn)行模擬預(yù)編碼。同時，該方案可以將信息符號發(fā)送到目標(biāo)接收器，剩余的所有天線向非目標(biāo)方向發(fā)送噪聲。系統(tǒng)中沒有閑置天線，竊聽者無法消除旁瓣失真。

天線子集選擇通過控制天線的開-關(guān)來擾亂竊聽者星座圖，但對合法用戶并沒有影響。此方案需要以符號速率控制開關(guān)，實(shí)現(xiàn)困難。

3結(jié)束語

傳統(tǒng)基于密碼學(xué)的加密機(jī)制已經(jīng)無法滿足5G通信時代下日益增長的安全需求。PLS技術(shù)采用信號處理和編碼技術(shù)來增強(qiáng)5G移動通信系統(tǒng)的保密性，而不依賴于密鑰的計(jì)算復(fù)雜度。安全預(yù)編碼技術(shù)利用無線信道的內(nèi)生安全屬性，實(shí)現(xiàn)基于用戶位置的安全傳輸。利用波束成形、人工降噪和天線子集選擇等安全預(yù)編碼方案，能夠拉大合法用戶與竊聽者的信道容量差距，從而提高5G移動通信系統(tǒng)的保密性能。PLS技術(shù)與移動通信的發(fā)展密不可分，利用毫米波信道稀疏特性開發(fā)物理層安全預(yù)編碼技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)5G通信與安全一體化發(fā)展。

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作者簡介

倪云云，南京郵電大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院在讀碩士研究生；主要研究領(lǐng)域?yàn)槲锢韺影踩A(yù)編碼技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等。

陳伯慶，南京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院在讀博士研究生；主要研究領(lǐng)域?yàn)楹撩撞ㄍㄐ畔到y(tǒng)物理層安全技術(shù)；申請發(fā)明專利2項(xiàng)。

李剛，中興通訊股份有限公司高級工程師、5G研發(fā)總工，深圳市國家級領(lǐng)軍人才；從事CDMA/WiMAX/LTE/Pre5 G/5G等產(chǎn)品的技術(shù)方案設(shè)計(jì)、架構(gòu)設(shè)計(jì)和研發(fā)管理工作；發(fā)表論文5篇，申請發(fā)明專利15項(xiàng)。