毫米波无线通信物理层安全传输技术研究

2021-07-02胡军

通信电源技术 2021年5期

关键词：传输技术信道天线

胡军

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏南京 210000）

0 引言

根据无线信道本身的开放性和电磁波的无线特性，为了提高通信的安全水平和便捷性，需要建构完整的安全传输技术方案，从物理层安全信息管理的角度匹配相应的密钥处理模式。

1 毫米波通信信道系统概述

在互联网技术不断发展的时代背景下，人们信息交互的频率在不断增大，3 GHz以下的频率资源应用和交互结构较为拥挤，为了提高信道应用的综合质量水平，毫米波到了广泛应用，其适用于5G系统的信号传输工作。毫米波能提供较好的传输效率，为移动通信高速率和低延迟处理模式提供保障，而且还能有效建构满足通信标准的信息交互体系。此外，毫米波还能提高通信系统的频谱资源利用率，维持系统可行性的同时，配合移动蜂窝通信进行多元处理。例如，自动驾驶技术能将毫米波应用于车辆内部网络体系中，凭借车载多节点处理模式维持较好的传播应用效果[1]。

1.1 毫米波通信信道特点

（1）频谱较宽。能配合不同的复用技术建立完整的信道传递模式，并且基于其频率高的特性能大大提高信道的应用容量，被广泛应用于高速多媒体传输业务。

（2）可靠性较高。由于频率较高，毫米波受到的外界干扰较少，可以大大提升其应用质量，在较为恶劣的环境中依旧能表现出较好的应用状态，为传输信道的稳定提供了保障。

（3）方向性较好。传输波束较窄，一定程度上降低了被窃听的概率，对于通信传输安全管理具有重要意义，在短距离点对点通信模式中能发挥良好的应用价值。

（4）波长较短。无需配置大尺寸天线，有效提升了资源的利用率，在空间较小的环境中利用集成大规模天线阵就能完成安全网络结构的架设处理[2]。

（5）在实际应用中配合预编码处理模式，能在能量效率和频谱效率提高方面发挥毫米波的时效性应用价值。

基于其信道特点，毫米波在自由空间内传播时路径损耗较大，反射后的能量会出现较大的衰减，这也使得毫米波通信的信道较为稀疏。

1.2 毫米波通信信道模型

在毫米波通信技术建立和应用过程中，为了维持其应用水平，要结合实际情况完善通信信道模型的处理工作。系统中通信信号的空间选择性和分散性都是关键，且受到毫米波通信自由空间损耗等的限制，因此需要制定规模化的天线阵节点处理方案，有效建立独立分布的衰落信道模型，依据多径传播效应、射簇现象以及时间扩散等综合考量信道模型的应用价值[3]。

相较于微波频段，毫米波通信信道模型的密集度不足，存在一定的稀疏性。如果利用发射信号进行处理，则对应的发射内容基本都集中在少数传播路径上，此时就会形成分簇信道模型。散射簇信道模型是毫米波通信信道应用处理的关键，结合发射角和到达角的分布进行综合处理，匹配应用框架，并结合信道测量结果实现能量方位分布控制，全方位维持能量的传输效果，确保方位角功率谱标准差应用的规范性。此外，毫米波通信结合MIMO技术，匹配天线阵列结构，就能从安全容量和预编码两个方面完善相应的技术方案，为安全通信提供保障[4]。

2 毫米波无线通信物理层安全传输技术内容

从毫米波无线通信物理层安全传输技术入手，将安全性和信号传输稳定性作为信道研究的关键，有效评估具体内容，并综合分析安全信息和数据，从而建构最优的无线通信信道体系。

2.1 人工噪声安全传输技术

在建立基础毫米波通信信道结构匹配模型后，提出基于人工噪声的自适应传输方案，以维持整体运行和信息传输的安全性，具体结构见图1。

图1 传输结构示意图

由图1可知，在配置对应大规模天线阵网络节点的基础上，合法接收者Bob能获取主信道的基础信息，而此时窃听者Eve也会配置对应的天线利用窃听信道获取信息。为了保证信息的安全性，发送端Alice要在信息发送过程中将发送信息的对应信号和人工噪声信号进行相应处理，实现有效的信息传递。

2.1.1 信道传输基础

选取毫米波作为信道传输基本介质的主要原因是其稳定性和抗干扰性较好。将信道的矩阵结构表示为：

式中，N1c表示的是多数簇对应数量的传输路径，N1r表示的是单一数量簇对应的传输路径，Nt则表示发射天线的具体数量，ς表示发射端到接收端的路径损耗平均数值，a(Θlc,lr)表示发射角归一化陈列响应向量[5]。若传输过程中有且仅有一簇传输信号概率最大，只有将大部分发射信号的功率都集中在某一个特定簇结构上，才能实现安全传输处理。

2.1.2 具体技术应用方案

首先，明确具体的优化指标，结合编码要求计算冗余速率，依据信道容量采取瞬时CSI应用方案，满足固定条件后就能获取发射端的发射信息。由此可知，在安全终端概率满足一定阈值参数后，才能维持较好的安全吞吐量，确保整体应用效果最优[6]。

其次，在常规化人工噪声方案中，发射端处理窃听问题时会将人工噪声直接均匀地辐射到主信道的零空间内，从而干扰窃听者获取信息。然而利用大规模天线阵模式时，主信道的零空间计算模式较为复杂，为了充分发挥毫米波信道特性的优势，就要依据矩阵结构选取独自传播数据流，然后完成列向量的处理，有效独立覆盖窃听传播区域，并结合窃听信噪比完成干扰处理。

最后，结合实际应用环境评估分析安全吞吐量，对满足传输条件的主信道进行信道增益处理，从而保证调节传输参数能维持安全速率最大值，并有效优化吞吐量安全速率。用累计分布函数对窃听者的信噪比进行处理，保证信道增益的同时，满足安全约束条件。

基于人工噪声安全传输技术建立多径传播自适应传输方案和安全性能处理体系，在全面分析安全约束条件的基础上评估安全吞吐量，保证最优化功率分配因子的合理性，从而满足管控基础[7]。此外，根据毫米波的传播特性，结合离散角度域的信道模型进行传输空间路径的解析处理，避免出现合法接收者和窃听者信息空间混淆的问题，最大程度提高毫米波通信传输的安全性。

2.2 基于RF预编码的安全传输技术

随着计算机技术的不断发展，基于通断策略的自适应传输方案也能有效匹配目标函数完成安全吞吐量的评估。结合RF预编码技术能有效发挥毫米波波长较短的优势，维持收发机配置天线处理应用模式。传统的微波通信结构中，天线数目有限，一般借助数字预编码控制器分析信号幅值后再选取适宜的信道模式，这种方式最大的弊端就是每一个数字预编码器只能使用一根天线对应一个射频链路的方式。而在毫米信号应用中，天线的规模全面扩大，此时配置较多的独立链路会耗费较高的成本，这就需要结合毫米波通信安全应用要求，维持状态信息和信道信息的平衡，从而提升安全性能[8]。

2.2.1 系统信道模型

在毫米波系统信道模型建立和应用的过程中，相较于传统技术体系，其发射端配置大规模天线阵节点处理机制，能有效提高空间利用效率，并且无需额外的发送功率和带宽就能有效增加系统的基础信道容量。匹配正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）能建构子载波间的正交处理模式，确保频谱资源利用率符合要求。此外，在建立RF链路结构后，依据RF预编码器能获取全链路的性能内容。毫米波通信载频较宽，能有效解决频率选择性衰落的问题，最大程度降低多径效应产生的不良影响[9]。

2.2.2 系统应用

OFDM在应用过程中，能借助差异化频率维度完成信道的处理和划分，获取不同的正交子信道，并结合低速并行的子载波应用模式维持数据运行的合理性。不同子载波频谱存在一定的交叠性，分别对子信道进行差异化调制，从而有效减少信号波形受到的影响。建立MISO-OFDM系统平台，利用技术方案有效提高数据传输的实效性，并提高频谱的利用率。依据最大安全速率进行RF预编码处理，根据不同指标制定不同的设计方案，确保选择性衰落信道RF标准符合实际要求，选取优化目标后完成全部信道和部分信道的交叉处理[10]。