5G通信中的增强物理层安全信号处理技术研究

王猛

摘 要：在当前时代背景下，5G技术越发普及，其在进行数据传输的过程中，能够依靠引入增强物理层信号技术，以此提升信号本身的安全水平。尽管经过长时间探究，我国已经在相关领域取得了较好的成绩，但仍然有部分问题没有攻克。文章主要描述了5G通信网络构建的重要性，探讨了5G无线通信物理层关键技术，并对于安全信号处理技术发表一些观点和看法。

关键词：5G通信;增强物理层;安全信号;处理技术

1 5G通信网络构建的重要性

1.1 提升资源利用率

5G的传输速度非常快，使得人们颠覆了对通信速度的理解。从4G的输出波形能够看出，当频谱图十分集中的时候，占用的带宽也就更多，导致传递速度受到严重影响，整体质量也不够。而伴随5G的应用，这一问题就会被逐步解决。

1.2 扩大系统容量

伴随通信技术的发展，我国网络逐步进入信息化时代，实际使用的数量也有了显著推升。但与此同时，早期一些4G技术很难保证传递的稳定性，因此，通过构建5G通信网，可以有效扩大系统的容量，实现高速传输。

1.3 注重用户体验

4G技术的发展，让人们的手机使用习惯有所改变，也推动了网络技术持续进步。5G技术不但速度更快，而且深受用户喜爱，在确保安全性的同时，能变得极为真实。人们可以随时随地地观看4K视频，再也无须担心网络问题。

2 5G无线通信物理层关键技术

2.1 毫米波通信

毫米波通信主要指的是依靠毫米波的方式完成通信工作的方案，这是一类十分具有代表性的方法，在大范围烟雾的穿透、高机密传递以及高质量传输方面有着许多优势。一般来说，之所以会有路径损耗的情况，主要是因为在传输的过程中出现了信号扩散的情况，同时信号也受到外部环境的影响。此外，干扰也会让信号丢失，在穿过建筑物的时候，能量会在一定程度上发生损失。当波形处于高段或者中段的时候，若要穿过部分障碍物，往往需要耗掉特别多的能量，传播距离也会受到限制。在传输的时候，大量能量出现丢失，可能造成毫米波穿过建筑物之后，信号质量全面下降，甚至可能造成无法获取的情况。当一些低频信号穿越的时候，完成了穿透和反射，相比其他频段，能量损失自然相对更低[1]。

2.2 大范围MIMO技术

大范围MIMO技术本身能够有效提高频谱效率，并实现高速传播，信号质量也很高。早期在使用MIMO技术的时候，不但需要设置一个巨大的天线，而且还要进行站点租用，伴随技术的不断革新，实际投入的成本也在持续提高。显然，这种方式已经过时，无法满足人们的需求。尤其是在数据特别多的时候，很容易因为卡频而丢失。针对大范围MIMO展开全面研究，不但可以看作是无线网络未来发展的基本趋势，而且是扩大基站容量的最佳方案。尽管大范围MIMO技术在近些年取得了较大发展，但仍然有部分问题需要处理。如何更好地适应全新的移动通信，并完成信号反馈，是其未来的主要挑战。

2.3 高频段的应用

伴随移动通信网络的快速发展，4G通信系统的频段低于3 GHz，网络用户的数量正在持续增加。若频带低于            3 GHz，网络会不堪重负。而在5G技术快速发展的今天，依靠在高频带里面应用大范围MIMO，能够基于3 GHz的状态之下，提供各种各样不同的信息资源，同时还能解决早期一些高频带中的问题，防止资源发生短缺的情况[2]。

3 物理层安全信号处理技术

3.1 波束赋形和预编码

为了能够防止窃听者盗取信息资源，降低信道质量，并提升主导信号和窃听信道的性能差异，在发送数据的时候，通常会额外增加一定的人为噪音，在不会对目标用户正常使用带来任何干扰的情况下，使窃听者受到强烈干扰。由于这些噪音有着较高的随机性，会使得窃听者的信噪比下降，导致信息截取速度也随之下降。若发射机知道主信道的状态为CSI，则能将当前已经完成添加的人工噪音全部投射到正交子空间里面。尤其是在处理MISOME状态时，能够依靠次优匹配的方式，防止最佳波束形成。

3.2 数据信号和功率分配

对于数据信号和人工噪音而言，对功率部分合理分配能够使其安全性得到提高。若发射机在了解窃听者的CSI，并完成了统计之后，则很难准确提供最大安全系数。正是该因素，基于相关研究，在多数情况下，相应的分配策略主要基于性能估计，诸如安全系数、中断的概率以及上限和下限。在MISOSE场景之中，一旦发射机能够了解主信道的CSI数据之后，就能拿其和完整CSI进行对比，此时若再选择添加人工噪音，则会发生泄漏的情况，影响正常用户。若发射机获取的CSI存在缺陷，此时可以为MISOME以及MIMOME加入人工噪音。

3.3 物理层处理技术

在这一方法之中，在前期确定信道的过程中出现干扰，同时窃听者的信道预定精度偏低。窃听者能够依靠多次处理的方式，促使SNR的预测精确度大幅度下滑。在预先确定的那段时间之中，主要可以采用两种方式，分别是双向校正以及校正反馈[3]。

3.3.1 反馈和重新校正

这一方案主要是针对原有的培训过程，将其变成多个不同的阶段。在信号前期传输的时候，发射机需要先对导频序列予以明确，之后再传递信息。接收器能够先接一些正确的信息，之后再通过最小误差的方式，对整个信道予以估计，并完成反馈。然后，最小误差方式能够重新对最新的导频序列予以传递，并尝试将人工噪音加进来。这些都能直接在CSI零空间里面反映。正是这一因素，一般来说，人工噪音对于飞行员的正常训练基本上不会带来直接影响，但不会使得通道自身的精确性受到影响。所以，窃听者可能对人工噪音带来影响。信号干扰产生的效果显然更为明显。信道在完成预判之后，接收机能够直接展开信息传递，将信号发送到发射机，并让其直接获得的两个结果完成组合，获取CSI精度数值，从而明确导频训练的具体型号，逐步完成改进预测，精确度与二者直接呈正比。发射机通过对导频信号展开输出，该信号内部包含一定的人工噪音，直接传给发射机之后，可以基于反馈，获得更好的结果。这一方案能将人工噪音放置在最为合理的位置上面，毕竟在确保信号传递的同时，还能保持相对偏低的频率，经过多次校正，逐步获取最佳的SCI。

3.3.2 双向校正

虽然校正反馈—重新校准方案有其可行性，然而实际通信往往会花费大量资源，整体效率也不高，毕竟其在运作的过程中，必须执行多个校正和反馈。可以看出，这类校正方案属于对早期方案的全面优化，并能克服其中的不足。所以，这一方法的最大优势便是，在对双方向信号进行校正的时候，接收器也完成了集成工作，促使运行效率得到提升。从目前来看，这一形式主要能分成两类，具体工作场地完全不一样。由于信道自身具有較强的互易性特色，始发端能够直接完成目的信号的获取工作。然而，在这个时候，由于窃听者能够直接完成信息的获取，很难识别来自发行者的窃听者。在前面的阶段之中，发射机在传递信号时，会额外加入一些其他的人工噪音，所以会让窃听信号出现降级的效果。但是，载波系统在前向以及反向系统里面，实际拥有的频率点差，同时在信道之中，并不具备互易性特色。基于这一状况，工作人员就需要采取重新对齐的方式。当接收机正在进行逆校正，其将一些已经获知的信息传递到发送端里面，同时其还会通过随机的方式传递校正信号。但是，在广播信号之中，只有发送器有一定概率会被拦截。从目前来看，这些试点的修复在性能研究方面仍然有其局限性，所以，相关人员还要进一步展开研究，对其不断完善。

4 结语

综上所述，5G技术的应用能够大幅度提高数据传递的效率和安全性。尽管相关研究已经提出了一定的处理方案，但由于SCI存在诸多缺陷，很可能被他人窃听。当前就需要做好研究工作，把握其安全性和可靠性，逐步改善用户体验，针对早期存在的问题，及时予以有效处理。长此以往，我国网络通信的整体水平就会大幅度提升，进而推动整个行业持续进步。

[参考文献]

[1]黄寿杰.5G通信中的增强物理层安全信号处理技术研究[J].数字技术与应用，2019（6）：46-47.

[2]刘春阳，马英，陈周天，等.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.

[3]刘丹阳.基于5G通信增强物理层安全信号处理技术研究[J].电子测试，2020（24）：125-126.

（编辑 王永超）