5G通信背景下物理層安全技術研究

王世鵬

（內蒙古電子信息職業技術學院，內蒙古 呼和浩特 010070）

1 應用物理層安全技術的重要性分析

在互聯網的應用中，物理層安全技術可以利用物理通道的互易性，結合其他原理達到對信息進行加密的目的，并生成密碼用于識別合法用戶的通信傳輸通道。物理層安全性是對網絡傳輸安全性的一種補充，能夠明顯提高系統結構的安全性能。其中，竊聽通道模型是物理層安全性的基礎，主要包含了密鑰共享、通道編碼、寫入干擾等各項技術。但是通信網絡的拓撲結構比較復雜，無線鏈路層具有較高的開放性，上層加密算法很難在通信網絡中真正發揮出最大化的作用。在科技力量突飛猛進的今天，如果只憑借增加運算量獲取信息安全，則并不能提高加密機制的安全性[1]。

構建5G通信網絡的重要作用主要可以體現在以下幾個方面。（1）可以提高資源的利用率。由于5G網絡的傳輸速度很快，人們對網絡通信的傳播速度也產生了新的認知和理解。在4G的輸出波形中，如果出現頻譜圖比較集中的現象，就表明占用帶寬的數量越多，從而導致傳輸速度受到了嚴重的阻礙和影響，而5G技術的應用使得很多問題可以得到有效的解決。（2）可以擴大系統的容量。隨著通信技術的進步，社會已經逐漸進入信息化的發展時代，網絡用戶的數量也明顯得到提升[2]。同時，以往的4G技術無法充分保證信息傳遞的穩定性，所以通過構建5G通信網絡能夠進一步擴大系統的容量，促進信息高速傳輸目標的實現。（3）重視用戶的網絡體驗。4G技術的運用使得人們改變了手機的使用習慣，推動了現代化網絡技術的進步。相比之下，5G技術不僅具有速度快的優勢特點，還比較容易受到網絡用戶的歡迎和喜愛，在保證信息傳輸安全性的基礎上，改善人們的用戶體驗，無須再擔心網絡速率慢等一些問題。

2 5G通信物理層安全技術的應用與研究

在5G背景下，從安全機制的設計角度來說，更是提出了更高的技術要求。在通信網絡系統中，拓撲結構和無線鏈路具有一定的復雜性與開放性，基本上很難實現上層加密算法，而傳統的加密安全策略也無法滿足具體的服務需求。此外，由于受到高傳輸速度的制約，即便是增加密鑰的長度或空間，也很難讓寬帶傳輸與密鑰管理系統完全避免被攻擊。因此，一些電信行業的專家也深刻意識到物理層安全技術的重要性，從信道編碼等方面進行分析，以促進物理層信息安全技術（見圖1）的開發和應用。

圖1 物理層安全技術

2.1 毫米波通信技術

在物理層安全技術的應用中，毫米波通信是指通過利用毫米波的方式有效完成通信工作的設計和實施方案，在大范圍的高機密傳遞與高質量傳輸中，存在眾多的應用優勢。通常情況下，如果出現路徑損耗的狀況，基本上是由于信號受到外部條件的影響，而且信號在傳輸的過程中產生了擴散問題。同時，外界干擾也會使得信號丟失，尤其是在穿過建筑物時，會在一定程度上出現能量的損失問題。在穿過障礙物時，波形處在中段或高段都需要消耗大量的能量，且傳播距離也會存在一定的限制。如果毫米波的能量出現過度的丟失，就會導致穿過建筑物后信號的質量大大降低，嚴重時還會出現信號無法獲取的狀況[3]。和其他頻段進行比較，部分低頻信號在進行穿越時完成了穿透與反射作用，所以能量損失相對會減小。

2.2 高頻段的應用技術

在移動通信網絡的發展過程中，如果網絡用戶數量遞增，而4G通信系統的頻段低于3 GHz，就會給網絡帶來重大的信息壓力?？墒窃趹?G技術以后，通過在高頻帶中運用大范圍多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技術，可以在3 GHz的狀態下滿足各種不同信息資源的網絡服務需求，并且還能夠及時解決早期高頻帶中存在的問題，避免出現資源短缺的狀況。大范圍MIMO技術可以提高頻譜效率，促進高質量、高速傳播的目標實現。在MIMO技術得到應用的初期階段，需要設置巨大的天線，進行站點的租用，但是隨著信息技術的革新發展，投入的成本也必須要同時增加。目前，該種方式明顯無法滿足人們對于網絡的實際需求，在數據量突然增多時，很容易出現卡頻和信息丟失的狀況[4]。因此，對大范圍MIMO技術進行深入研究，可以說是無線網絡的未來發展趨勢，也是基站容量進行擴大的最佳途徑。

2.3 人工噪聲輔助安全技術

發送端在發送信號時，可以同時發送出人工噪聲和干擾信號，一般是用于對竊聽者信號的干擾作用，但是接收者和竊聽者有差別，接收者不會受到噪聲信號的影響，可以正常接收數據信息，以增加保密容量。目前在安全技術中，人工降噪輔助技術可以有效降低傳輸過程中竊聽者的攻擊作用，保障信息傳送的安全性和保密性，可是在發送人工噪聲信號時也會消耗大量的發射資源，所以在使用人工降噪輔助技術時需要定量分配發射頻率。

2.4 波束成形技術

所謂的波束成形技術是指發送端可以根據特定方向，將信息發送到接收端。在這個過程中，可以在對竊聽者所接收的信號進行干擾的基礎上增強接收者的信號強度，促進波束成型技術的有效實現[5]。而且只有當接收者信號強度明顯高于竊聽者時，才能夠實現信號的保密傳輸作用。通過對同步無線信號和功率傳輸系統進行研究，可以得到波束形成矢量的計算方法，進而保證信號傳輸的可靠性。

2.5 物理層密鑰生成

物理層密鑰的傳播方式以無線為主，結合物理層衰落幅度和相位的特性生成物理層密鑰。在90年代中期已經開始對密鑰生成技術進行研究，并證實了無線信道中CSI可以生成密鑰[6]?；诖?，在后期的研究中發現兩個傳輸用戶間存在密鑰，而且能夠借助無線信道隨機生成密鑰，在不同場景中得到廣泛運用。此外，在密鑰生成后出現了混沌發生器，在各種加密場景中可以使用到[7]。而非線性混沌系統是結合混沌初始系統進行發展的，有學者把混沌系統發展為非線性項拓撲系統結構，后來又擴展為混沌映射，該結構可以變換邏輯音色的尺度，促進有序狀態轉化為混沌狀態[8]。

2.6 物理層加密技術

物理層加密技術（見圖2）是基于物理層所實現的加密方案，是一種安全保障技術。物理層的加密需要密鑰來保護，數據會在通信系統物理層中從不同階段實現傳輸，所以需要在不同階段中采用加密手段促進數據的物理加密作用[9]。而不同的物理層調制技術有不同的加密技術方案，其中最直接的技術方案是XOR加密技術，可以直接運用在硬件中，通過使用相移鍵控也能夠進行加密處理，實現對整個數據包的安全保密作用[10]。從傳統的認知中可以發現，碼和加密是獨立的兩個模塊，可是目前很多學者比較關注如何可以把信道編碼和密碼進行結合，通過加密信道編碼來提高信息傳輸的速率。

圖2 物理層加密技術

3 結 論

現階段，無線通信技術在生產和生活中的應用越來越廣泛，通信數據量在不斷增加，而服務系統的結構也變得越來越復雜。在5G技術的應用背景下，不同的協議會產生不同的安全問題，所以必須要加強對傳輸信息的管理力度，增強傳輸信息安全元素的強化效果?；?G通信技術環境，物理層安全技術的研究和使用也是未來的發展趨勢，在保障傳輸功能完整性的基礎上，要降低竊聽者對傳輸信息的攻擊程度，結合傳統的安全機制，增大高速數據的傳輸效率。只有從物理層進行分析，利用信道的特征，嚴格保護需要傳輸的數據信息，通過把現有密碼學技術與物理層安全技術進行有機的結合，就能夠顯著提高無線通信的安全使用性。