5G通信背景下物理層安全技術(shù)研究

王世鵬

（內(nèi)蒙古電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070）

1 應(yīng)用物理層安全技術(shù)的重要性分析

在互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中，物理層安全技術(shù)可以利用物理通道的互易性，結(jié)合其他原理達(dá)到對(duì)信息進(jìn)行加密的目的，并生成密碼用于識(shí)別合法用戶(hù)的通信傳輸通道。物理層安全性是對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸安全性的一種補(bǔ)充，能夠明顯提高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的安全性能。其中，竊聽(tīng)通道模型是物理層安全性的基礎(chǔ)，主要包含了密鑰共享、通道編碼、寫(xiě)入干擾等各項(xiàng)技術(shù)。但是通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，無(wú)線鏈路層具有較高的開(kāi)放性，上層加密算法很難在通信網(wǎng)絡(luò)中真正發(fā)揮出最大化的作用。在科技力量突飛猛進(jìn)的今天，如果只憑借增加運(yùn)算量獲取信息安全，則并不能提高加密機(jī)制的安全性[1]。

構(gòu)建5G通信網(wǎng)絡(luò)的重要作用主要可以體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。（1）可以提高資源的利用率。由于5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度很快，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的傳播速度也產(chǎn)生了新的認(rèn)知和理解。在4G的輸出波形中，如果出現(xiàn)頻譜圖比較集中的現(xiàn)象，就表明占用帶寬的數(shù)量越多，從而導(dǎo)致傳輸速度受到了嚴(yán)重的阻礙和影響，而5G技術(shù)的應(yīng)用使得很多問(wèn)題可以得到有效的解決。（2）可以擴(kuò)大系統(tǒng)的容量。隨著通信技術(shù)的進(jìn)步，社會(huì)已經(jīng)逐漸進(jìn)入信息化的發(fā)展時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)的數(shù)量也明顯得到提升[2]。同時(shí)，以往的4G技術(shù)無(wú)法充分保證信息傳遞的穩(wěn)定性，所以通過(guò)構(gòu)建5G通信網(wǎng)絡(luò)能夠進(jìn)一步擴(kuò)大系統(tǒng)的容量，促進(jìn)信息高速傳輸目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。（3）重視用戶(hù)的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。4G技術(shù)的運(yùn)用使得人們改變了手機(jī)的使用習(xí)慣，推動(dòng)了現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步。相比之下，5G技術(shù)不僅具有速度快的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，還比較容易受到網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)的歡迎和喜愛(ài)，在保證信息傳輸安全性的基礎(chǔ)上，改善人們的用戶(hù)體驗(yàn)，無(wú)須再擔(dān)心網(wǎng)絡(luò)速率慢等一些問(wèn)題。

2 5G通信物理層安全技術(shù)的應(yīng)用與研究

在5G背景下，從安全機(jī)制的設(shè)計(jì)角度來(lái)說(shuō)，更是提出了更高的技術(shù)要求。在通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和無(wú)線鏈路具有一定的復(fù)雜性與開(kāi)放性，基本上很難實(shí)現(xiàn)上層加密算法，而傳統(tǒng)的加密安全策略也無(wú)法滿(mǎn)足具體的服務(wù)需求。此外，由于受到高傳輸速度的制約，即便是增加密鑰的長(zhǎng)度或空間，也很難讓寬帶傳輸與密鑰管理系統(tǒng)完全避免被攻擊。因此，一些電信行業(yè)的專(zhuān)家也深刻意識(shí)到物理層安全技術(shù)的重要性，從信道編碼等方面進(jìn)行分析，以促進(jìn)物理層信息安全技術(shù)（見(jiàn)圖1）的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

圖1 物理層安全技術(shù)

2.1 毫米波通信技術(shù)

在物理層安全技術(shù)的應(yīng)用中，毫米波通信是指通過(guò)利用毫米波的方式有效完成通信工作的設(shè)計(jì)和實(shí)施方案，在大范圍的高機(jī)密傳遞與高質(zhì)量傳輸中，存在眾多的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。通常情況下，如果出現(xiàn)路徑損耗的狀況，基本上是由于信號(hào)受到外部條件的影響，而且信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中產(chǎn)生了擴(kuò)散問(wèn)題。同時(shí)，外界干擾也會(huì)使得信號(hào)丟失，尤其是在穿過(guò)建筑物時(shí)，會(huì)在一定程度上出現(xiàn)能量的損失問(wèn)題。在穿過(guò)障礙物時(shí)，波形處在中段或高段都需要消耗大量的能量，且傳播距離也會(huì)存在一定的限制。如果毫米波的能量出現(xiàn)過(guò)度的丟失，就會(huì)導(dǎo)致穿過(guò)建筑物后信號(hào)的質(zhì)量大大降低，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)信號(hào)無(wú)法獲取的狀況[3]。和其他頻段進(jìn)行比較，部分低頻信號(hào)在進(jìn)行穿越時(shí)完成了穿透與反射作用，所以能量損失相對(duì)會(huì)減小。

2.2 高頻段的應(yīng)用技術(shù)

在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過(guò)程中，如果網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)數(shù)量遞增，而4G通信系統(tǒng)的頻段低于3 GHz，就會(huì)給網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)重大的信息壓力。可是在應(yīng)用5G技術(shù)以后，通過(guò)在高頻帶中運(yùn)用大范圍多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技術(shù)，可以在3 GHz的狀態(tài)下滿(mǎn)足各種不同信息資源的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求，并且還能夠及時(shí)解決早期高頻帶中存在的問(wèn)題，避免出現(xiàn)資源短缺的狀況。大范圍MIMO技術(shù)可以提高頻譜效率，促進(jìn)高質(zhì)量、高速傳播的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。在MIMO技術(shù)得到應(yīng)用的初期階段，需要設(shè)置巨大的天線，進(jìn)行站點(diǎn)的租用，但是隨著信息技術(shù)的革新發(fā)展，投入的成本也必須要同時(shí)增加。目前，該種方式明顯無(wú)法滿(mǎn)足人們對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際需求，在數(shù)據(jù)量突然增多時(shí)，很容易出現(xiàn)卡頻和信息丟失的狀況[4]。因此，對(duì)大范圍MIMO技術(shù)進(jìn)行深入研究，可以說(shuō)是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，也是基站容量進(jìn)行擴(kuò)大的最佳途徑。

2.3 人工噪聲輔助安全技術(shù)

發(fā)送端在發(fā)送信號(hào)時(shí)，可以同時(shí)發(fā)送出人工噪聲和干擾信號(hào)，一般是用于對(duì)竊聽(tīng)者信號(hào)的干擾作用，但是接收者和竊聽(tīng)者有差別，接收者不會(huì)受到噪聲信號(hào)的影響，可以正常接收數(shù)據(jù)信息，以增加保密容量。目前在安全技術(shù)中，人工降噪輔助技術(shù)可以有效降低傳輸過(guò)程中竊聽(tīng)者的攻擊作用，保障信息傳送的安全性和保密性，可是在發(fā)送人工噪聲信號(hào)時(shí)也會(huì)消耗大量的發(fā)射資源，所以在使用人工降噪輔助技術(shù)時(shí)需要定量分配發(fā)射頻率。

2.4 波束成形技術(shù)

所謂的波束成形技術(shù)是指發(fā)送端可以根據(jù)特定方向，將信息發(fā)送到接收端。在這個(gè)過(guò)程中，可以在對(duì)竊聽(tīng)者所接收的信號(hào)進(jìn)行干擾的基礎(chǔ)上增強(qiáng)接收者的信號(hào)強(qiáng)度，促進(jìn)波束成型技術(shù)的有效實(shí)現(xiàn)[5]。而且只有當(dāng)接收者信號(hào)強(qiáng)度明顯高于竊聽(tīng)者時(shí)，才能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的保密傳輸作用。通過(guò)對(duì)同步無(wú)線信號(hào)和功率傳輸系統(tǒng)進(jìn)行研究，可以得到波束形成矢量的計(jì)算方法，進(jìn)而保證信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.5 物理層密鑰生成

物理層密鑰的傳播方式以無(wú)線為主，結(jié)合物理層衰落幅度和相位的特性生成物理層密鑰。在90年代中期已經(jīng)開(kāi)始對(duì)密鑰生成技術(shù)進(jìn)行研究，并證實(shí)了無(wú)線信道中CSI可以生成密鑰[6]?；诖耍诤笃诘难芯恐邪l(fā)現(xiàn)兩個(gè)傳輸用戶(hù)間存在密鑰，而且能夠借助無(wú)線信道隨機(jī)生成密鑰，在不同場(chǎng)景中得到廣泛運(yùn)用。此外，在密鑰生成后出現(xiàn)了混沌發(fā)生器，在各種加密場(chǎng)景中可以使用到[7]。而非線性混沌系統(tǒng)是結(jié)合混沌初始系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)展的，有學(xué)者把混沌系統(tǒng)發(fā)展為非線性項(xiàng)拓?fù)湎到y(tǒng)結(jié)構(gòu)，后來(lái)又?jǐn)U展為混沌映射，該結(jié)構(gòu)可以變換邏輯音色的尺度，促進(jìn)有序狀態(tài)轉(zhuǎn)化為混沌狀態(tài)[8]。

2.6 物理層加密技術(shù)

物理層加密技術(shù)（見(jiàn)圖2）是基于物理層所實(shí)現(xiàn)的加密方案，是一種安全保障技術(shù)。物理層的加密需要密鑰來(lái)保護(hù)，數(shù)據(jù)會(huì)在通信系統(tǒng)物理層中從不同階段實(shí)現(xiàn)傳輸，所以需要在不同階段中采用加密手段促進(jìn)數(shù)據(jù)的物理加密作用[9]。而不同的物理層調(diào)制技術(shù)有不同的加密技術(shù)方案，其中最直接的技術(shù)方案是XOR加密技術(shù)，可以直接運(yùn)用在硬件中，通過(guò)使用相移鍵控也能夠進(jìn)行加密處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)包的安全保密作用[10]。從傳統(tǒng)的認(rèn)知中可以發(fā)現(xiàn)，碼和加密是獨(dú)立的兩個(gè)模塊，可是目前很多學(xué)者比較關(guān)注如何可以把信道編碼和密碼進(jìn)行結(jié)合，通過(guò)加密信道編碼來(lái)提高信息傳輸?shù)乃俾省?/p>

圖2 物理層加密技術(shù)

3 結(jié) 論

現(xiàn)階段，無(wú)線通信技術(shù)在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，通信數(shù)據(jù)量在不斷增加，而服務(wù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也變得越來(lái)越復(fù)雜。在5G技術(shù)的應(yīng)用背景下，不同的協(xié)議會(huì)產(chǎn)生不同的安全問(wèn)題，所以必須要加強(qiáng)對(duì)傳輸信息的管理力度，增強(qiáng)傳輸信息安全元素的強(qiáng)化效果?；?G通信技術(shù)環(huán)境，物理層安全技術(shù)的研究和使用也是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，在保障傳輸功能完整性的基礎(chǔ)上，要降低竊聽(tīng)者對(duì)傳輸信息的攻擊程度，結(jié)合傳統(tǒng)的安全機(jī)制，增大高速數(shù)據(jù)的傳輸效率。只有從物理層進(jìn)行分析，利用信道的特征，嚴(yán)格保護(hù)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，通過(guò)把現(xiàn)有密碼學(xué)技術(shù)與物理層安全技術(shù)進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，就能夠顯著提高無(wú)線通信的安全使用性。