基于5G通信增强物理层安全信号处理技术分析

杨金梅

摘要：在通信行业快速发展的今天，5G通信技术的水平也在不断提高，为了保证通信网络的安全，技术人员引入了增强物理层安全信号处理技术。虽然目前我国在这方面已经取得了一些成绩，但还是存在一些问题，因此如何增强物理层安全信号的处理技术仍然是技术人员当前所研究的重点。本文主要介绍了5G通信网络的重要性和5G通信物理层的关键技术，重点对物理层安全信号处理进行了分析。

关键词：5G通信;物理信道;物理层安全;信号处理

1.5G通信网络的重要性

1.1提高资源利用率

通信网络1G到5G的变化可以说是天差地别，尤其是在3G网络出现后，移动网络的速度更是发生了巨大的变化。现在人们也经常会将4G和5G进行比较，尤其是在速度方面，5G更是让人们眼前一亮。技术人员通过对4G传输波形的网络频谱图进行了分析说明，频谱图中越是使用集中的位置，占用的带宽就越多，因此严重影响了传输速度和信号的频率带宽，不仅如此对信息的传输质量也会造成一定的影响。其实4G网络的出现，已经增加了频谱资源，而5G网络的应用使频谱资源的利用率得到了进一步的提升[1]。

1.2扩展系统容量

通信技术的水平越来越高，网络的传输速度也在不断增加，再加上电子产品的种类和数量不断的增多，使互联网、信息安全以及传媒等行业都进入了信息化时代，人们接收信息的速度也越来越快。根据相关行业数据，现在全世界的通用信息量增加了1000多倍，而且还在继续增加。虽然到目前为止数据信息仍然在增加，但是很多的4G技术却不能保证信息传输的稳定性。5G网络能够扩大系统容量，提高下载的速度，并支持高清4K图片的快速传输，提高人们获取信息的速度和完整性[2]。

1.3重视用户体验

自从4G网络出现后，人们对于手机的使用性能就有了更高的要求，而且更加依赖手机，与此同时也促进了移动网络的发展。人们使用手机看视频、看电影或者网上购物等，有了移动网络的支持，这些操作都变得非常简单。5G网络不仅提高了运行速率，在保证信息安全的同时，还给用户带来了更好的体验感受，让人们更进一步享受手机带来的乐趣。用户使用5G网络能够看更加高清的4K电影;看直播的速度也更快，还没有卡顿;就连浏览网页也可以处理语音和视频业务。5G网络的速度更快，覆盖面更广，用户在使用时也无需担心会出现卡顿现象。

2.5G通信物理层的关键技术

2.1毫米波通信

毫米波通信主要是通过毫米波作为载波的方式来实现通信，是目前比较具有代表性的一种通信方法。尤其是在大范围的烟雾穿透、高机密传递以及高质量的传输等方面，毫米波通信具有一定优势。通常情况下，网络信号会出现扩散的情况，主要是因为在传输过程中信号出现了扩散，而且还受到了外部环境的干扰，导致信号出现丢失现象，因此在穿过建筑物时，信号会损失一部分能量。当信号波是高频段或者中频段的时候，如果穿过障碍物就要消耗掉大量的能量，因此传播的距离也无法太长[3]。一旦信号在传播过程中出现大量能量丢失，可能会造成虽然毫米波穿过了建筑物，但是信号的质量却非常弱，甚至无法获取。一些低频信号则不同，当其完成穿透和反射时，和其他的频段相比而言，能量的损失相对比较低。

2.2大规模MIMO

大规模MIMO技术能够提高频谱效率，使得信號的传播速度非常高，信号质量也非常好。早期人们使用MIMO技术时，需要安装一个非常大的天线，还需要进行站点租用，随着现代化技术的不断改革与提升，虽然在技术方面有所提高，但是投入的成本也在不断增加。尤其是在需要的数据量特别大的时候，极其容易因为网络的卡顿而造成数据丢失，影响人们的正常生活和工作。因此上述早期方式无法满足人们的正常使用需求，已经逐渐被淘汰了。技术人员在对大规模MIMO进行研究时，已经将其作为无线网络的发展趋势，另外它还是扩大基站最好的方式。尽管现在MIMO技术在最近几年的研究已经取得了非常大的进展，但是仍然还是存在很多问题需要研究和处理，因此如何能够更好的适应当下的移动通信，并如实的完成信号反馈，是技术人员面临的重点问题和新的挑战。

2.3高频段的应用

移动通信网络的发展速度非常快，由于4G通信系统的频段明显比3G赫兹的要低，网络的使用人数也在不断的增加，如果频带低于3G赫兹，网络会因为承受不起而崩溃。随着5G技术的应用，技术人员在高频领域使用大范围的MIMO，能够在3G赫兹的基础上，为用户提供更多的数据信息，同时还克服了很多高频带传输的缺陷，解决了频带资源短缺的问题。

3.物理层安全信号处理技术

3.1波束赋形与预编码

3.1.1没有人工噪声的安全波束赋形与预编码

首先技术人员要考虑 多入单出多天线窃听MISOME的情况，在该情景中可以扩大到接收器和多天线的场景，而此时的发射器必须要在发射信号之前来执行预编码。MISOME情况下的安全容量具有一定的非凸特性，无法实现最优的方法来解决编码矩阵。问题的最佳解决方式是鞍点，但是最优解不是以闭合的形式存在的，需要在数值上进行求解。

3.1.2有人工噪声的波束赋形与预编码

技术人员为了降低窃听者的信道质量，还可以增加主信道与窃听信道之间的差异，使窃听者无法实现窃听功能。采用的方法是，发送端在进行信号传输时增加人工噪声，对窃听者造成干扰，但是不会影响目标用户的正常使用。随机噪声能够有效的降低窃听者的信噪比和其拦截信息的速度。如果发射机了解主信道的信道状态信息CSI，那么发射机可以将所要加入的人工噪声投射到主信道的空间中。当在MISOME的状态下，技术人员可以采用次优匹配滤波的方法来避免非最优波束的形成。

3.2数据信号与功率分配

为了更好的实现网络安全性能，技术人员要合理的进行数据信号和人工噪声之间的分配，当发射机没有发现窃听者的CSI时，则无法进行准确的功率分配来实现安全系数的最大化。在目前的情况下来看，功率的分配策略是在性能指标估计的基础上，例如安全系数、中段概率等指标。在MISOME的情况下，当发射机了解主信道的CSI和窃听信道的CSI时，与完整的CSI进行比较之后，添加人工噪声会泄露期望的用户。但是如果发射机对主信道的CSI和窃听信道的CSI了解不完善时，根据MISOME和MIMOME的实际情况来添加人工噪声所获得的安全率，仍然比没有人工噪声的安全率要高。

3.3物理层的处理技术

技术人员在进行物理层的处理时，首先要确定信道发生干扰时窃听者的信道预测精准度降低，而且可以通过反复的处理来降低窃听者预测的精准度。在预先确定信道的时间中，技术人员可以通过校正反馈重新校准法和双向校正法两种方式来提高物理层信号传输的安全性。

3.3.1反馈与重新校正

该方法将训练过程划分为好几个阶段，首先是信号传输的最早阶段，发射机要先确定导频的序列，然后才能开始发送信号。接收器会先接收到正确的信号，再通过使用最小的误差方法来对整个信道的信号进行预估，并将其反馈到发射机上。发射机会再重新发送新的导频并在信号中加入人工噪声，这些信息都会被直接反映在CSI空间中。在一般情况下，噪声对通道自身的准确性会有一定的影响，于是窃听者会受到人工噪声的干扰，造成信号的干扰更加强烈。在信道进行预判决之后，接收机将信息反馈到发射机上，然后发射机将前两个反馈的结果进行组合，从而得到CSI的精度，有效的改进预测，预测的准确度和前两个反馈结果精度是成正比的。发射机发送具有人工噪声的导频信号，一直到其能够得到更好的反馈结果为止。该方法能够把人工噪声放在更加正确的位置上，通过多次的校正来获得更加正确的CSI，确保对正常通信不产生干扰。

3.3.2双向校正

通常情况下，校正反馈与重新校正的方法是可行的，但是因为它需要不断的进行多次校正和反馈，导致该过程所消耗的资源过多，而且通信效率也比较低。因此双向校正方案是对之前方案的完善和优化，重点解决了之前存在的问题。双向校正最大的优势就是信号在进行校对时，接收器也在完成集成工作，以此来提升运行效率。另外，双向校正也增强了信道自身的互易性特征，在发送端就能完成相关信息的收集工作。虽然载波系统在上下行信道存在频率点差异，但是此时的上下行信道没有互易性的特点。针对这一状况，工作人员采取了对齐的方式，当接收机进行逆校正时，会将一些信息传送到对端，同时还会不断的发出校正信号。互异性特征变强也会导致窃听者获取的信息更加完善，很难识别窃听者。目前来看，技术人员还要对其进行不断的完善和研究，才能保证质量。

结束语：目前5G网络已经给用户带来了很多便利，提高了网络速度和用户体验，技术人员通过物理层安全信号处理，不断提高数据传输的安全性，进一步加强网络可靠性。技术人员还在继续研究与完善，满足不同行业对网络的需求。

参考文献

[1]王力， 李宏伟. 基于5G通信的增强物理层安全信号处理技术分析[J]. 信息與电脑， 2020.

[2]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.

[3]郑曙祥.5G通信中的增强物理层安全信号处理的技术[J].科技资讯，2019，17（25）：10-11.