5G通信背景下物理层安全技术研究

王世鹏

（内蒙古电子信息职业技术学院，内蒙古 呼和浩特 010070）

1 应用物理层安全技术的重要性分析

在互联网的应用中，物理层安全技术可以利用物理通道的互易性，结合其他原理达到对信息进行加密的目的，并生成密码用于识别合法用户的通信传输通道。物理层安全性是对网络传输安全性的一种补充，能够明显提高系统结构的安全性能。其中，窃听通道模型是物理层安全性的基础，主要包含了密钥共享、通道编码、写入干扰等各项技术。但是通信网络的拓扑结构比较复杂，无线链路层具有较高的开放性，上层加密算法很难在通信网络中真正发挥出最大化的作用。在科技力量突飞猛进的今天，如果只凭借增加运算量获取信息安全，则并不能提高加密机制的安全性[1]。

构建5G通信网络的重要作用主要可以体现在以下几个方面。（1）可以提高资源的利用率。由于5G网络的传输速度很快，人们对网络通信的传播速度也产生了新的认知和理解。在4G的输出波形中，如果出现频谱图比较集中的现象，就表明占用带宽的数量越多，从而导致传输速度受到了严重的阻碍和影响，而5G技术的应用使得很多问题可以得到有效的解决。（2）可以扩大系统的容量。随着通信技术的进步，社会已经逐渐进入信息化的发展时代，网络用户的数量也明显得到提升[2]。同时，以往的4G技术无法充分保证信息传递的稳定性，所以通过构建5G通信网络能够进一步扩大系统的容量，促进信息高速传输目标的实现。（3）重视用户的网络体验。4G技术的运用使得人们改变了手机的使用习惯，推动了现代化网络技术的进步。相比之下，5G技术不仅具有速度快的优势特点，还比较容易受到网络用户的欢迎和喜爱，在保证信息传输安全性的基础上，改善人们的用户体验，无须再担心网络速率慢等一些问题。

2 5G通信物理层安全技术的应用与研究

在5G背景下，从安全机制的设计角度来说，更是提出了更高的技术要求。在通信网络系统中，拓扑结构和无线链路具有一定的复杂性与开放性，基本上很难实现上层加密算法，而传统的加密安全策略也无法满足具体的服务需求。此外，由于受到高传输速度的制约，即便是增加密钥的长度或空间，也很难让宽带传输与密钥管理系统完全避免被攻击。因此，一些电信行业的专家也深刻意识到物理层安全技术的重要性，从信道编码等方面进行分析，以促进物理层信息安全技术（见图1）的开发和应用。

图1 物理层安全技术

2.1 毫米波通信技术

在物理层安全技术的应用中，毫米波通信是指通过利用毫米波的方式有效完成通信工作的设计和实施方案，在大范围的高机密传递与高质量传输中，存在众多的应用优势。通常情况下，如果出现路径损耗的状况，基本上是由于信号受到外部条件的影响，而且信号在传输的过程中产生了扩散问题。同时，外界干扰也会使得信号丢失，尤其是在穿过建筑物时，会在一定程度上出现能量的损失问题。在穿过障碍物时，波形处在中段或高段都需要消耗大量的能量，且传播距离也会存在一定的限制。如果毫米波的能量出现过度的丢失，就会导致穿过建筑物后信号的质量大大降低，严重时还会出现信号无法获取的状况[3]。和其他频段进行比较，部分低频信号在进行穿越时完成了穿透与反射作用，所以能量损失相对会减小。

2.2 高频段的应用技术

在移动通信网络的发展过程中，如果网络用户数量递增，而4G通信系统的频段低于3 GHz，就会给网络带来重大的信息压力。可是在应用5G技术以后，通过在高频带中运用大范围多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技术，可以在3 GHz的状态下满足各种不同信息资源的网络服务需求，并且还能够及时解决早期高频带中存在的问题，避免出现资源短缺的状况。大范围MIMO技术可以提高频谱效率，促进高质量、高速传播的目标实现。在MIMO技术得到应用的初期阶段，需要设置巨大的天线，进行站点的租用，但是随着信息技术的革新发展，投入的成本也必须要同时增加。目前，该种方式明显无法满足人们对于网络的实际需求，在数据量突然增多时，很容易出现卡频和信息丢失的状况[4]。因此，对大范围MIMO技术进行深入研究，可以说是无线网络的未来发展趋势，也是基站容量进行扩大的最佳途径。

2.3 人工噪声辅助安全技术

发送端在发送信号时，可以同时发送出人工噪声和干扰信号，一般是用于对窃听者信号的干扰作用，但是接收者和窃听者有差别，接收者不会受到噪声信号的影响，可以正常接收数据信息，以增加保密容量。目前在安全技术中，人工降噪辅助技术可以有效降低传输过程中窃听者的攻击作用，保障信息传送的安全性和保密性，可是在发送人工噪声信号时也会消耗大量的发射资源，所以在使用人工降噪辅助技术时需要定量分配发射频率。

2.4 波束成形技术

所谓的波束成形技术是指发送端可以根据特定方向，将信息发送到接收端。在这个过程中，可以在对窃听者所接收的信号进行干扰的基础上增强接收者的信号强度，促进波束成型技术的有效实现[5]。而且只有当接收者信号强度明显高于窃听者时，才能够实现信号的保密传输作用。通过对同步无线信号和功率传输系统进行研究，可以得到波束形成矢量的计算方法，进而保证信号传输的可靠性。

2.5 物理层密钥生成

物理层密钥的传播方式以无线为主，结合物理层衰落幅度和相位的特性生成物理层密钥。在90年代中期已经开始对密钥生成技术进行研究，并证实了无线信道中CSI可以生成密钥[6]。基于此，在后期的研究中发现两个传输用户间存在密钥，而且能够借助无线信道随机生成密钥，在不同场景中得到广泛运用。此外，在密钥生成后出现了混沌发生器，在各种加密场景中可以使用到[7]。而非线性混沌系统是结合混沌初始系统进行发展的，有学者把混沌系统发展为非线性项拓扑系统结构，后来又扩展为混沌映射，该结构可以变换逻辑音色的尺度，促进有序状态转化为混沌状态[8]。

2.6 物理层加密技术

物理层加密技术（见图2）是基于物理层所实现的加密方案，是一种安全保障技术。物理层的加密需要密钥来保护，数据会在通信系统物理层中从不同阶段实现传输，所以需要在不同阶段中采用加密手段促进数据的物理加密作用[9]。而不同的物理层调制技术有不同的加密技术方案，其中最直接的技术方案是XOR加密技术，可以直接运用在硬件中，通过使用相移键控也能够进行加密处理，实现对整个数据包的安全保密作用[10]。从传统的认知中可以发现，码和加密是独立的两个模块，可是目前很多学者比较关注如何可以把信道编码和密码进行结合，通过加密信道编码来提高信息传输的速率。

图2 物理层加密技术

3 结 论

现阶段，无线通信技术在生产和生活中的应用越来越广泛，通信数据量在不断增加，而服务系统的结构也变得越来越复杂。在5G技术的应用背景下，不同的协议会产生不同的安全问题，所以必须要加强对传输信息的管理力度，增强传输信息安全元素的强化效果。基于5G通信技术环境，物理层安全技术的研究和使用也是未来的发展趋势，在保障传输功能完整性的基础上，要降低窃听者对传输信息的攻击程度，结合传统的安全机制，增大高速数据的传输效率。只有从物理层进行分析，利用信道的特征，严格保护需要传输的数据信息，通过把现有密码学技术与物理层安全技术进行有机的结合，就能够显著提高无线通信的安全使用性。