通信网络关键技术运用探讨

高启学

（安徽四创电子股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引 言

随着经济全球化，世界各国之间交流越来越频繁。特别是电子通信和网络技术的不断进步，促生了互联网爆发式增长。通过网络，不同国家、不同区域的人们已经实现了便捷交流。但是，通信网络在给人类带来方便的同时，信息安全也面临着一些风险，如网络安全防护、日益增加的数据带宽等问题。因此，需要进一步开展通信网络关键技术研究。

1 通信网络概述

移动通信、光纤通信和计算机网络等技术方兴未艾，直接把人类推进了互联网时代，通信产业已发展成为国民经济支柱产业。我国通信产业厚积薄发，已经建成世界最大、基本覆盖全国的通信网络，包括固定接入网、移动通信技网技术和卫星通信网等，尤其是在移动互联网方面，我国已经走在世界前列[1]。

2 通信网络关键技术

1948年，香农在经典的《通信的数学原理》中，第一次给出了通信容量计算公式，论证了通信容量和占用带宽之间的关系。迄今为止，在信息传输方面，主要瓶颈依然表现在有限频谱内如何不断提升传输容量。为此，人们积极开展相关的通信关键技术研究，以缓解和改善目前所遇到的困境。其中，微波宽带传输、网络安全防护、大容量卫星通信系统[2]以及有着革命意义的量子通信技术等，都是当下备受关注的关键技术。

2.1 微波宽带传输

微波通信技术是移动通信的基础。从2G、3G到现在的4G移动时代，背后是微波传输能力的不断提升。为了实现数据宽带、高速传输，必须不断研发新的通信技术，如受到广泛关注的正交频分复用（OFDM）调制技术。OFDM技术和传统意义上微波点频传输方式不同，如图1所示。它采用多载波调制，基本原理是将需要发送高速串行数据流分散调制在多个子载波上。OFDM信号中，多个子载波之间保持正交关系。解调时，借助各子载波频率间的正交关系，实现每路信号的分离[3]。OFDM技术不仅可有效提高微波信号传输中的抗多径、抗衰落能力，而且具有较高的频谱利用率。因此，OFDM技术除了应用在4G移动通信领域，也是5G通信深入研究的关键技术之一。此外，微波超宽带技术（UWB）也是有效提升传输容量的一种新型通信技术。如图2所示，和常规窄带信号调制方式不同，它采用多组窄脉冲信号对所有传输的数据直接进行调制。微波超宽带技术改变了传统意义上中频、射频等多级调制方式，不仅设计结构简化，而且理论上能够实现吉赫兹量级的数据传输带宽。我国“十五”863计划通信技术主题研究项目中，已经明确把超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技术作为无线通信共性技术与创新技术的研究内容。

图1 传统信号频谱和OFDM信号频谱

图2 传统调制信号和超宽带调制信号频谱比较

2.2 网络安全防护技术

为保障信息使用安全，我国相继发布了《国家信息化领导小组关于加强信息安全保障工作的意见》《2006—2020 年国家信息化发展战略》等文件，指导基础信息网络和重要信息系统的安全保障体系建设[4]。网络安全建设是一个复杂的系统工程，仅安全防护方面就涉及到访问控制技术、病毒防范技术、入侵检测技术、数据加密技术和备份与恢复技术等。因此，网络信息安全建设需要从不同角度、层次和维度进行针对性分析，建立分层维、分域维、分级维和分时维4个维度的信息安全技术体系结构[5]，如图3所示。

图3 信息安全技术体系结构图

分层维是指根据不同层面采取相应的安全措施，针对物理层、系统层、网络层、应用层和管理层的安全问题逐层进行处理，逐层防护。分域维是指根据不同使用范围进行的区域划分。不同的使用区域采取不同的安全保护措施，进行分域保护。分级维是指根据信息安全重要程度进行的等级划分，不同的等级采取相对应的防护技术。时间维是指根据信息安全的时效性进行的阶段划分。事实上，四维网络安全防护体系有一定的交叉和重叠，但从广度和深度方面能够清晰描述网络安全威胁，有助于发现问题、解决问题。

2.3 卫星通信技术

卫星通信以其全天候、覆盖面广等难以比拟的优势，已经成为通信领域不可或缺的重要组成部分。我国目前也大力发展卫星通信业务，除北斗导航系统外，还在积极研发“天通”“鸿雁”等移动通信卫星。但是，卫星通信存在着容量较小、传输时延较长以及使用寿命较短等缺点，需要进一步采取技术措施开展关键技术，如多波束天线、星上处理和星地融合等技术，以提升卫星通信的整体水平。

多波束天线（Multiple Beam Antenna）采用智能天线技术将传输带宽分为若干子频段，每个子波段使用点波束进行独立传输，因而即能够实现大范围的区域覆盖，又可以实现每个子波段的复用。这种工作方式与地面蜂窝通信网络相似，显著增加了频谱利用率和卫星通信容量[6]。星上处理技术是指星上数据交换，实现星上IP交换，如ATM交换、IP交换或电路交换等，使卫星网络与地面互联网的融合变得简单和方便[7]。星地融合技术是针对长期以来地面移动通信网络和卫星通信网络各自独立工作状态而开发的，能够充分有效利用双方优势，克服双方劣势，帮助卫星通信进入主流市场。通过组建星地融合通信网络，开启了真正无所不在的移动卫星通信[8]。此外，为了适应不断增加传输带宽要求，卫星通信转发器工作频段由目前常用的C和Ku频段，逐渐向更高频率的Ka、Q和V频段扩展。

3 量子通信技术

量子通信是未来信息通信行业的一个新兴战略性制高点，而我国在量子通信研究和应用方面已经走在世界前列。随着我国“京沪干线”保密通信网建设和“墨子号”量子卫星顺利升空，量子通信获得了越来越多的关注和重视。和任何经典通信安全保障技术完全不同，量子通信是至今为止唯一得到严格证明的、能从原理上确保无条件安全的通信技术[9]。

正如物质是由分子、原子构成一样，无线电波、光波也可以看作由离散的粒子组成，这就是所谓的波粒二象性。如果粒子按照量子力学规律运动，这些粒子便会处于量子态，被称之为量子（目前量子都是光量子）。量子自身有以下特点：一是具有不可测量性和复制性，无论采用何种方式对量子进行测量，都会改变量子状态；二是其量子态丰富，不同于传统的数字通信基础码元不是1就是0两种状态，量子可以处于多个状态的叠加态[10]；三是量子纠缠，两个相互纠缠的量子之间存在某种关联，无论它们相距多远，其中的一个量子状态发生变化，另一个必然瞬间随之变化（状态塌陷）。量子通信是利用量子态和量子纠缠效应进行信息或密钥传输的新型通信方式[11]。基于量子密钥分发的量子通信原理如图4所示，通过单光子量子态的制备、传输、测量和经典通信协议处理，实现通信双方之间的量子密钥共享，再结合一字一密的对称加密体制，理论上可实现绝对安全的量子通信[12]。

图4 量子通信基本原理示意图

4 结 论

经过短短几十年的发展，我国已经成为电子通信、网络的使用大国，但是相应的通信网络技术水平与最先进国家仍尚存一定差距。如何加强通信网络关键技术的研发，提高通信能力，确保网络信息安全，是我国面临的现实问题，需要进行不懈努力。

[1] 夏莉萍.电子通信关键技术的应用与网络构架分析[J].电子技术与软件程，2015，（11）：25-26.

[2] 赵 斌.电子通信关键技术的应用与网络构架分析[J].数字技术与应用，2015，（7）：86-88.

[3] 冷艾亭，杨 雷.基于OFDM的雷达通信共享信号性能研究[J].信息通信，2015，（7）：158.

[4] 魏 亮，魏 薇.通信网络安全防护相关工作综述[J].电信网技术，2011，（3）：5-9.

[5] 王斌君，景乾元，吉增瑞.信息安全技术体系研究[J].计算机应用，2009，（6）：59-62.

[6] 周乐柱，李 斗，郭文嘉.卫星通信多波束天线综述[J].电子学报，2001，（6）：824-828.

[7] 易克初，李 怡，孙晨华.卫星通信的近期发展与前景展望[J].通信学报，2015，（6）：17-33.

[8] S A D E K M ， A I S S A S.P e r s o n a l S a t e l l i t e Communication：Technologies and Challenges[J].Wireless Communications，2012，19（6）：28-35.

[9] 周 飞，王向斌.实用化量子通信技术[J].信息安全研究，2017，（1）：80-85.

[10] 李 健，李登峰，朱家骥.基于半导体量子点的量子通信[J].重庆邮电大学学报（自然科学版），2017，（6）：285-292.

[11] LO H K，CURTY M，TAMAKI K.Secure Quantum Key Distribution[J].Nature Photonics，2014，8（8）：595-604.

[12] 李宏伟，陈 巍，黄靖正.量子密码安全性研究[J].吉林大学学报（信息科学版）， 2013 ， 31 （1）：1-7.