无线通信系统中的物理层安全技术研究

余操操 徐京 吕湉

摘 要：近年来，物理层安全技术利用传输链路的物理特性，通过物理层的编码、调制以及传输方式来实现安全通信，因此加强其技术是极为关键的。在物理层优化改造过程之中，因为某些客观不确定的因素而形成的变化会致使其安全性产生意想不到的变化，所以必须在其运行时前总结提出各种可能遇到的问题和因素，然后就是要对所产生的问题进行分析探究，最终找到合理的方法解决问题，本文对其展开探讨。

关键词：无线通信系统；物理层；安全技术

1 引言

无线通信技术发展是极为迅猛的，目前来说对其进行物理层安全技术的加强是极为关键的，可以有效地使其传输效率和安全性得到提升。目前的发展方向主要有以下几点：（1）对于传统的有线网络进行分析，将无线网络的使用要求以及构建模式进行探究，对于网络中可能存在的盲区进行进一步的解析，进行网络的规划。（2）对于现存网络的物理层拓扑结构进行分析，同时进行交换机的配置，选取有效的位置来进行交换机的放置，实现信号的高效传输，避免干扰。（3）对于无线网络物理层进行信道划分，对于其性能进行测试，对它的有效性展开探究，从传输带宽和信号强度等方面对其传输效益进行综合性的评判，得出更加优化的传输方案。（4）通过整体的无线网络建设测试，指出现有的无线网络技术在现实网络环境中的不足之处和改进的方向。

2 无线通信系统的物理层安全技术

2.1 物理层安全技术设计原则

（1） 经济性 应当采用较低的成本来实现，应当按照国家的相关规定，避免出现浪费的情况，尽量的降低成本，因此应该从实用的角度多进行考虑。

（2） 易用、可用性 无线网络有接入的随机性和灵活性，因此应该扩大其覆盖范围，加强网络的管理，使得人们对于无线网络应用更加的便捷。

（3） 移动性 无线网络可以避免地形对其的控制，为了实现高效的移动上网，因此要保证设备可以进行快速的安装，使得其移动性提升，让人们使用更加的方便。

（4） 安全性 无线网络不需要光缆就可以进行数据的传输，但是其安全性也是极为重要的，需要防止外部的信号对其进行干扰，减少网络的波动情况，同时增大其带宽，用各种手段来保证其传输的有效性。

2.2 多天线分集技术

随着无线多入多出（MIMO）技术的应用，终端往往具有多根发送和接收天线。多天线技术主要利用空间自由度来实现安全。对于发送端的多天线技术，主要有最大比传输（MRT）、空时编码传输（OSTBC）和发送天线选择（TAS）等方案。最大比传输波束成型技术，其通过对多跟发射天线进行系数的加权处理，增强接收端的信号强度；空时编码技术则利用发端多天线带来的空间维度和信息传输的时间维度来提高信息传输的安全可靠性；发送天线选择技术通过选择最优的一根发射天线，使得接收端收到的瞬时信噪比最大，而该最优天线对于窃听用户端而言却是随机的，从而使得主信道质量优于窃听信道质量。

2.3 协作干扰技术

协作干扰技术是实现物理层安全传输的重要手段之一，在不影响合法终端正常通信的前提下，通过在传输信道的零空间上叠加人工噪声和干扰信号来扰乱窃听节点对信号的接收。人工噪声或者干扰信号可以分别在发送端、接收端和协作终端上进行叠加。在多入单出无线通信系统中，利用发端天线在传输信息的同时，发送干扰信号来提高传输的安全性能，并研究了系统功率分配的优化问题和传输方案的安全吞吐量。在放大转发中继系统中，利用目的节点发送干扰来实现安全通信，并通过干扰功率分配的优化，实现最优的安全传输。

3 物理层安全其他优化技术分析

3.1 信道规划技术

我们对于无线网络物理层要进行信道规划，这也是一种极为重要的优化方案，主要考虑的因素是信号的质量与接入范围，同时我们应该避免出现接入点在重叠情况下可能导致资源的浪费，如果这些接入点都在一个信道，那么就可能会引起信号之间出现相互干扰的情况，网络的传输效率比较低，那么需要进行网络的划分，利用虚拟的方式来建立多个无线网络，每个网络都要使用自己的带宽，这样就可以避免信号的重叠情况，同时要对于具体地形来进行考虑，避免出现空间中的信号干扰，在水平合作或者垂直方向都要进行考虑，避免出现整个楼层的相互干扰，所以我们应当采用相关的信号管理方案，这样就可以实现信道在物理上和地域上都可以进行隔离，那么就可以让整个无线网络的信号强度提升，质量也得到改善，优化整个网络，一般采用20MHz的频率进行通信组网，避免出现接入点的重叠等严重的问题，加大覆盖范围。

3.2 功率調整技术

通过对于无线网络物理层的功率调整，可以有效的对于其信号的发射情况进行调控，将就可以提升其信道的利用率，通过发射功率调整就可以实现频道的复用，使得整个无线网络的通讯性能得到提升，虚拟网络的建设，可以从成本上进行降低，同时使得使用更加方便。为了实现无线信号的传输竞争与冲突避免，那么我们必须对于信道进行相应的监听，如果发现有其他信道在传输数据时就需要进行规避，如果没有其他信号在信道中，那么我们就可以对于信道进行检测并且进行数据的传输，在无线系统中，每个信道所分到的带宽，并不是无限的，它是有一定限制的，在完成新的信号传输后就要进行信道的收回，为了避免出现接入点之间的相互干扰情况，因此需要对其功率进行相应的调整，使得在同一时刻的一个位置只能出现一个信号比较强的接入点，同时这样这个信号点必须满足用户的需求。

3.3 频点规划技术

在整个无线网络建设过程中，我们必须采用增加接入点的个数来进行用户的扩容，但是如果接入点过多的话就可能造成信号重叠的情况，为了尽量的使得接入点的频段干扰减小，就必须对于频段进行优化，使其能够在保证覆盖范围的情况下，尽量的减少失真率主要有以下的优化原则： 我们对于无线网络进行优化就可以看出来，在整个网络的优化过程中，主要是通过频道的复用来进行的，为了避免频段之间存在干扰的情况，那么对于同频干扰要进行抑制，我们遇到的大量的接入点区域当中，1、6号和11号信道可能会多次重复使用，这样就可能会导致接入点出现相应的频段重合的情况，因此我们对于这三个频道要进行重视，加强控制，避免出现更加严重的信号错乱的情况。

4 总结

虽然其能在很多方面代替有线网，但是无线局域网也有它的不足。无线局域网信号衰减快，不能像有线信号一样传播更远的距离。无线局域网能利用的信道少，当有多家运营商在同一地点建设网络时，很容易造成相互干扰，现在这个问题还没很好的解决办法。环境的变化对无线局域网的影响非常大，当环境很复杂时，无线局域网很难提供优质的上网服务。无线局域网也不适合进行室外覆盖，一般只适用于热点覆盖，如果想建成像2G、3G那样大范围覆盖的网络，成本巨大，而且效果很差。无线局域网只能作为有线网的补充，和3G、4G网相互配合，才具有实际的应用价值。

参考文献：

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[4]龙航，袁广翔，王静，刘元安.物理层安全技术研究现状与展望[J].电信科学，2011，27（09）：60-65.

作者简介：

余操操，1996.05.20，男，汉，浙江省慈溪市，学生，本科，信息系统工程