5G通信中的增强物理层安全信号处理的技术

郑曙祥

摘  要：我国即将进入5G时代，而在5G中增强物理层安全信号处理技术是不可或缺的重要组成部分，其直接影响5G的运行速度以及运行质量，所以科研人员必须要重视这项技术。基于此，该文从两阶段对5G通信中的增强物理层安全信号处理技术进行分析，一是数据发射阶段采用物理层安全信号处理技术;二是信道估计阶段采用物理层安全信号处理技术，希望可以为有需要的人提供参考意见。

关键词：5G通信  物理层  安全信号  处理技术  增强

中图分类号：TN911.7    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）09（a）-0010-02

最近几年，人们越来越重视物理层，从该阶段来发现加强稳定性以及可靠性的方法。5G网络已经非常迫切的想要问世，但该阶段在发射机端必须要安装大型的天线，所以这样就可以使信号变得更加自由，而且也可以带动物理层信号处理技术不断创新和不断发展。相对于传统的技术而言，该处理技术并不复杂，而且其高层协议也是相当简单的，具有一定的优势。

1  数据发射阶段采用物理层安全信号处理技术

通常，将该数据流进行分配以及权重后，发射到天线，即波束赋形，将某段数据流通过矩阵发挥出改变信号的作用后，再将其发射到天线，即预编码。因此，波束赋形在预编码的范围内，但经过比较，预编码工作原理是相对复杂的，而波束赋形是相当简单的，设计也十分直观[1]。因此，为了使窃听人员获得的信号不断减少，必须要重视窃听人员和主信道二者之间的差异，使窃听者不能及时接收相应的信号，为了实现该目标，发射端需要将人工噪音添加到信号中，但是该人工噪音能够对接收端以及发射端产生直接的影响，所以对很多窃听人员都能够产生干扰作用。然而因为通信往往在很多终端上产生作用，所以发射端通常在信号发射过程中，很多用户彼此之间容易受到影响。为了将该问题有效解决，一般发射端都会运用zf预编码技术对所有人工噪声进行有效处理，这样不仅能够使很多用户彼此之间降低影响，而且人工噪声可以发挥出干扰的效果。

人工噪声以及数据信号对人工噪声使用进行合理的分配，在很大程度上有可能使竊听人员的信道越来越恶化，但是由于发射机公路受到约束，采用人工噪声很有可能降低数据信号自身的发射功率，进而使得用户的SINR减少[2]。因此，合理分配人工噪声以及数据信号之间的功率，有利于获取较高的安全性。如果发射机对窃听人员的CSI是不了解的，或者仅仅掌握统计的CSI，这样就难以确保功率分配是准确的。因此，现阶段研究主要研究结合安全中断概率，制定适合的功率分配方法。

2  信道估计阶段采用物理层安全信号处理技术

这种方法的关键思想是在信道估计中，利用使窃听人员信道估计精度变得恶化，进而制约窃听人员得数据中获得适合的SNR。当前，在信道估计阶段采用物理层安全技术，其经常采用方案有两种;一种是从训练到反馈，再从反馈到在训练;另一种是双向训练。其具体表现在以下两点。

2.1 从训练到反馈，再从反馈到在训练

这套方案把训练过程划分成若干个训练阶段。早期阶段，发射机只要发生基础的导频序列，目的端就会及时接收此训练信号，然后采用最小平方的方式大致估算信道，而且向发射端立即反馈。接着，发射端再一次发射出全新的导频序列，而且添加人工噪声，此人工噪声传送到目的端所反馈的CSI零空间。毋庸置疑，这个人工噪声很有可能影响目的端导频练习，即便影响力度小，但是还是会导致窃听人员信道估测性能出现明显的恶化。目的端对信道做出估计后，必须要向发射端进行第二次反馈，再由发射端对之前的反馈结果进行归纳，进而大大提升CSI进度[3]。最后，发射端需要将人工噪声以及导频练习信号第三次发射出去，直至发射端获取理想的额CSI结果。这套方案采用导频功率较少以及反复练习过程直至发射端慢慢获取准确性强的CSI，这样就能够在相对准确的信道子空间中加入人工噪声，让人工噪声不会严重影响整个目的信道估测过程。

2.2 双向训练过程

第一套方案因为必须要有反复的前后练习以及反复过程，导致通信费用相当大，通信水平不高。对于导频双向训练方案来讲，其在很大程度上能够弥补第一种训练方案存在的不足。通过使用此方案能够使目的端主要进入到导频训练中，也就是使目的端也可以将导频训练信号成功发送出去[4]。通常，可以将其划分成多种情况，主要包括两种：一是工作在时分多址的系统;二是工作在频分多址系统。

就工作在时分多址系统来讲，前向以及方向信道可以满足信道互易性的基本要求。在这种情况下，首先，在方向训练阶段首先目的端将已经获得的训练信号发射到源端，源端准确估测从目的端直到源端的所有信道信息，结合信道的互易性特点，通过利用源端转置估测的信道，就能够获取从源端直到目的端的所有通道。但是该情况下窃听人员估测的是从目的端到窃听人员的所有信道信息[5]。其次，也就是前向训练阶段，源端又一次将导频信息从源端发送到目的端，而且加入一种零空间人工噪声，以此使窃听人员估测CSI性能发生恶化。

就工作在频分多址系统来讲，因为前向以及反向信道工作频点存在差异，信道不具备互易性。面对该情况，必须要设置一个训练过程，也就是round trip。整体来讲，第一，在反向训练阶段将已经获得的训练信号从目的端发送到源端，源端估测出反向信道H。第二，采用round trip训练，也就是从源端到目的端。通常，源端需要将随机抽取的训练信号广播除去，如若只是依赖发射机已知。不管是目的端还是窃听人员，都不了解这个训练信号，目的端利用放大转发的方法将成功接收的信号向发射机发送，这样远端就能够获取前向以及反向信号的乘积，运用第一阶段获取的H1，源端能够对源端到目的端前向信道信息H2迅速获取。第三，源端结合估计所得的H2，将其放入到零空间噪声中，再进入到接下来的前后训练阶段中。现如今，我国相关研究学者并没有深入分析这些导频训练方案获取额性能。考虑最适合的导频训练序列长度，最适合的人工噪声功率分配以及导频功率仍旧不多。

3  结语

总而言之，5G中的增强物理层安全信号处理技术，既能够在数据发射阶段使数据安全性得到大幅度提升，又能够在信道预测阶段借助数据处理技术大大提升物理层安全性。当前，我国很多研究学者都已经对安全波束赋形方案做出定义，而且也开始研究预编码方案，但很多窃听人员问题都没有得到有效解决，所以必须要对其安全性做出深入的分析，以此确保5G在运行过程中不会出现异常，进而为广大用户提供一种全新的使用体验，方便人们通信和上网。

参考文献

[1] 马飞.5G通信关键技术及其发展[J].电子技术与软件工程，2019（11）：11.

[2] 王昊.面向5G无线通信系统的关键技术[J].电子技术与软件工程，2019（11）：12.

[3] 彭佩雯.浅谈5G通信传输网络的建设策略[J].计算机产品与流通，2019（6）：46.

[4] 谢启珍.5G通信关键技术探讨[J].计算机产品与流通，2019（6）：50.

[5] 刘春阳，马英，陈周天，张万东.5G通信中的增强物理层安全信号处理技术探讨[J].通讯世界，2017（20）：66-67.