吳 敏，吳 蒙

(南京郵電大學,江蘇 南京 210003)

基于Massive MIMO的5G安全通信技術研究

吳 敏，吳 蒙

(南京郵電大學,江蘇 南京 210003)

隨著現代信息安全和無線通信技術的高速發(fā)展，對于有廣泛數據業(yè)務量的5G移動通信系統(tǒng)來說，將會有大量的機密、敏感信息在其通信系統(tǒng)中進行傳輸，所以安全問題越來越引起人們的關注,提供安全傳輸服務顯得尤為重要。隨著計算機不斷增強的計算能力，傳統(tǒng)的基于計算復雜度的加解密算法和密鑰協(xié)商機制已經不能滿足人們對于未來無線通信安全性的要求，而基于信號調制的方向調制技術因其無需考慮竊聽者的計算能力，通過擾亂非期望方向上的信號星座圖來實現安全傳輸的目的，成為了5G系統(tǒng)的重要研究點。在簡單介紹了波束賦形的原理及其不足的基礎上引出方向調制技術，并著重闡述了在大規(guī)模天線陣的前提下，基于天線子集選擇和混合陣的方向調制技術實現安全傳輸目標的方法，并且從理論的角度說明了安全性能的提高。

5G；Massive MIMO；方向調制；天線子集選擇；混合陣

0 引 言

隨著科技的發(fā)展、社會的進步，人們對于移動無線通信系統(tǒng)的要求也與日俱增。據預測，到2020年，移動通信網絡將面臨1 000倍數據容量和100倍設備連接數增長的挑戰(zhàn)[1]，或許已經成熟的第三代移動網絡和逐步成熟的第四代移動網絡還可以承受住未來幾年數據流量的激增，但是2020年以后，它們將不能夠支持這樣一個設備數量大，網絡流量需求高的移動網絡，那么第五代無線通信技術的研發(fā)就迫在眉睫。

在5G移動通信系統(tǒng)中，將會有大量的敏感和機密的信息，如金融數據、電子媒體、醫(yī)療記錄、客戶檔案等，通過無線信道進行傳輸，因此，提供無與倫比的安全服務是5G網絡在設計和實施上的一個首要任務。在傳統(tǒng)的無線通信網絡中，其安全性主要是依靠上層的加密協(xié)議體系，通過對傳輸信息進行加解密、認證等技術來保證竊聽者得不到任何有用信息。傳統(tǒng)的信息加密機制是在數據鏈路層或應用層上，通過一定的密碼算法對信息流進行加密。這種加密方法是建立在計算復雜度上的，隨著計算機運算能力的飛速提升，這種方式已不再安全，所以另覓一個不依靠計算復雜度的加密算法和密鑰協(xié)商機制的安全傳輸技術顯得尤為重要。保證無線傳輸中竊聽接收機的LPI(Low Probability Interception,低截獲概率)[2]是安全通信的重要目標之一，主要是指不再依靠上層的數據加解密和密鑰協(xié)商等手段來取得的安全性能。方向調制技術是一種能實現定向通信的重要技術，它將傳統(tǒng)的基帶調制功能轉為由射頻端來完成[3]，通過擾亂非期望方向的信號星座圖來保證低截獲率，從而實現信息的安全傳輸。

隨著未來各種無線通信業(yè)務和寬帶數據業(yè)務的不斷發(fā)展，無線資源，尤其是頻譜資源變得越來越緊張，如何更高效地利用這些有限的通信資源成為無線通信新技術發(fā)展的焦點所在。研究表明,大規(guī)模MIMO(Multi-Input Multi-Output,多輸入多輸出)技術[4]通過在基站配置大量收發(fā)天線提高空間的分辨率，使得多用戶可以利用同一時頻資源進行通信，而且大規(guī)模MIMO技術可以在不增加基站密度的情況下，提高頻率效率，降低發(fā)送功率，通過形成范圍很窄的波束來降低干擾，提高安全性[5]?？偠灾笠?guī)模MIMO技術不論在頻譜效率、可靠性還是能耗方面都具有不可比擬的優(yōu)勢，正是這些優(yōu)點使得其成為5G研發(fā)者的研究熱點。如果在大規(guī)模MIMO情境中利用方向調制技術傳輸數據，不僅可以實現數據的大量、高速傳輸，更可以在物理層面上實現數據的安全傳輸。

1 波束賦形和方向調制技術

波束賦形技術是目前存在的無線安全傳輸技術中的一種，它是實現信息定向傳輸的有效手段。利用天線陣列上各天線元素發(fā)射的電磁波相干相消的特性,形成的主瓣用來對準期望方向,而低功率的旁瓣或者零限位置則用來對準非期望方向，從而增強合法接收者的有效信號,抑制對合法接收者信號產生干擾的干擾源,進而提高通信系統(tǒng)的整體信干噪比，使系統(tǒng)的通信性能變得更好。波束賦形模型如圖1所示。

圖1 波束賦形技術模型圖

近來研究表明，通過波束賦形方法產生的定向波束，可增強合法接收者的接收信號強度，如果合理設計波束的旁瓣或零點，就可以在一定程度上抵御非法用戶的竊聽。由圖1不難看出，這種方式的缺點在于不同方位的接收信號只存在信號幅度上的區(qū)別(發(fā)射天線方向圖決定)和能量強度上的差別，而不同方位接收的調制信號的星座圖相同(即星座點間的相對相位關系不發(fā)生改變)。所以，只要竊聽接收機具有足夠的靈敏度，就可以順利捕獲到正確的通信信息，這無疑對無線通信信息的安全傳輸造成了不利影響。

方向調制技術即射頻調制技術，主要思想是：每個陣元對應一個發(fā)射波束,通過相移器來控制每個波束的相位中心，期望方向會同時接收到多個通信波束并加以合成，形成與傳統(tǒng)的基帶調制信號相同的信號星座圖，而在非期望方位接收機的信號星座圖會產生畸變。國內外已有相關的研究，理論與技術也都比較成熟。文獻[6-7]采用遺傳算法獲得天線陣中每個陣元的權值，從而僅在特定方向(即和期望方向)上形成正確的星座圖，而無需考慮其他方向信號星座圖的畸變程度，但遺傳算法實現過程復雜，相控陣技術成本代價也較高，不實用。文獻[8-9]通過射頻開關和天線反射器切換，使得不同方向的天線陣輻射特性不同，如圖2所示(引自文獻[4]中圖7)。只要射頻開關配置選擇得當，將可以在合法方向上產生正確星座圖，而在非法方向上產生錯誤的星座圖，從而實現安全傳輸，并且隨著使用的天線反射切換器和射頻開關數的增多，星座點數也增多，也能進一步為信息的安全傳輸提供保障。文獻[10]提出了基于切換天線構成的可重構陣的方向調制,采用未經調制的載波直接激勵可重構陣,通過不斷切換重構發(fā)射陣列的方式,在合法方向上輻射出基帶數字調制信號來實現安全傳輸。其中，天線的每種重構狀態(tài)對應著基帶調制信號星座圖中的一個星座點。文獻[11]提出了一種基于雙切換天線陣的方向調制方法，在天線端通過發(fā)射天線的不斷切換來綜合出調制信號，同時用射頻調制以使非期望方向上的星座點產生畸變，降低竊聽者的截獲率，導致竊聽者的誤碼性能惡化。但是這種方法的缺點在于發(fā)生切換時容易造成發(fā)射功率的浪費。

圖2 基于反射器的方向調制技術

2 基于稀疏陣的方向調制技術

天線陣的排列形式可以是線陣、面陣，無論是線陣還是面陣，又可采用均勻陣列和非均勻陣列。均勻陣列的各陣元天線具有相同的陣元間距，若知道合法接收者方向和干擾方向，可以通過調整移相器來將主瓣指向合法方向，采取諸如切比雪夫方向圖，泰勒綜合法和貝利斯綜合法的方式來抑制旁瓣，一定程度上實現了安全傳輸，但是如果陣元間距過小，就會產生嚴重的互耦效應[12]，影響到合法接收者對正確信息的接收，對天線陣列的性能產生不良影響。所以，在基于大規(guī)模天線陣的5G系統(tǒng)中廣泛應用均勻陣顯得特別不現實，于是非均勻陣即稀疏陣就派上用場了。稀疏陣由于其陣元位置的稀疏性，使得天線陣列的孔徑增大，而且由于陣波瓣寬度與陣列的最大尺寸有關，因此稀疏陣能獲得窄的波瓣寬度，提高空間分辨率,減弱陣元間的互耦效應[13]。同時稀疏陣相對于等矩陣來說，減少了單元數目，降低了饋電網絡的復雜性和故障率，從而明顯降低了天線的成本。稀疏陣的諸多優(yōu)點使其被視

為5G系統(tǒng)的關鍵技術之一，它將會和方向調制技術進行融合來保證下一代移動通信系統(tǒng)的安全傳輸。

在大規(guī)模線陣條件下，隨著發(fā)射天線數目的增加，MIMO編碼和譯碼的算法復雜度也將急劇增加,為此，采用選擇發(fā)送天線的方案。其核心思想是從所有的發(fā)射天線中選擇出一部分性能優(yōu)越的天線來發(fā)射信號。因為選擇天線是產生稀疏陣的一種手段，所以關于天線子集選擇的研究一直在進展中。

文獻[14-15]是利用天線陣列的冗余性和信道分集的特點，通過隨機選擇各天線陣元的加權系數，形成發(fā)射端與竊聽者之間的等效信道的快速隨機變化，當竊聽者使用盲均衡方法時無法收斂，從而惡化竊聽者的誤碼性能，達到LPI的目的。該方法的安全性主要依賴兩方面，一方面是隨機設置依賴發(fā)射天線權系數，另一方面是發(fā)射天線信道的不相關性。但是該方法的缺陷在于功率利用率太低,為了保證合法用戶的通信質量必須擁有很強的發(fā)射功率才行。為了解決隨機加權系數造成功率利用率過低的問題,文獻[16]提出在天線陣列固定的情況下通過每次隨機選取若干天線發(fā)射以達到等效信道隨機變化的目的。它的主要想法是，發(fā)射端將映射成星座點的信息符號隨機分配給若干個天線上分別加權后發(fā)射，使得各陣元發(fā)出的信號在期望方向始終同相疊加，不僅形成正確的星座圖而且得到最高的發(fā)射增益,而非法方向信道的隨機快變造成竊聽者每次接收到的信號增益和相移都會隨機變化，產生的星座圖也是畸形的，因此竊聽者無法有效地通過盲均衡算法解調信息，保證了竊聽者的低截獲率，實現了安全傳輸。

文獻[17]提出一種使用ASM(Antenna Selection Modulation，選擇天線子集)的方式進行信號傳輸，基于天線子集選擇的傳輸模型如圖3所示。

圖3 天線選擇模型

由圖3可看出，ASM比傳統(tǒng)的調制模型多了一個用來選取天線子集的相位控制模塊，可以采用隨機選擇算法和基于模擬退火算法的最優(yōu)子集選擇兩種方法隨機產生天線子集。與文獻[6-11]中提到的通過改變發(fā)射天線的相位來擾亂非法方向的星座圖的方法的不同之處在于，在隨機選擇天線子集的過程中，由于不斷改變沿旁瓣的遠場模式，所以產生了許多額外的星座點，這些額外的星座點正好干擾了非法方向上的星座圖，使非法竊聽者接收到的星座圖是混疊的，從而提高了信息傳輸的可靠性。

3 基于混合陣的方向調制技術

將大規(guī)模天線陣的陣元按特定規(guī)律劃分成多個子陣，各子陣中每個陣元都有自己的移相器，所有子陣組成混合陣[18]?；旌详嚨姆较蛘{制的基礎在于如何劃分子陣列，文獻[19]根據子陣拓撲的不同分為兩類：相鄰陣列劃分和交叉陣列劃分，如圖4所示。

(a)相鄰陣列劃分圖 (b)交叉陣列劃分圖圖4 相鄰陣列和交叉陣列圖

如圖5所示，相鄰陣列劃分方法產生的主波束寬 度比交叉陣列劃分產生的大，而且在主瓣的兩端有很明顯的旁瓣，極易產生干擾，易對安全通信造成影響，因此交叉陣列劃分優(yōu)于相鄰陣列劃分方法。但是，如果子陣劃分不合理，就算陣元級部分很好地完成了調制，也會因為出現旁瓣而對主波束產生干擾，嚴重破壞陣列的天線性能。所以如何合理劃分子陣對于混合陣的方向調制起著關鍵作用。遺傳算法[20]、粒子群算法[21]等群體智能優(yōu)化算法，既能很好地抑制子陣劃分時的旁瓣問題，又兼顧搜索最優(yōu)子陣波束成形增益，因此成為混合陣波束成形過程中劃分子陣的有效工具。

(a)相鄰劃分方法的方向圖 (b)交叉劃分方法的方向圖圖5 兩種子陣的輻射方向圖比較

文獻[22]把每個天線子陣虛擬成一根單獨的天線，則該大型的混合陣就等效成一個簡化的天線陣列，運用之前提及的方向調制理論就可以實現混合陣的方向調制。文獻[18]在文獻[22]的基礎上提出一個新的混合陣模型，如圖6所示。

圖6 混合陣方向調制圖

該模型的特色之處在于混合陣中每個子陣與一個基帶信號處理模塊相連接，通過對子陣加權形成期望波束，將凸優(yōu)化的方法應用到基帶波束成形算法中去獲得子陣級較優(yōu)的權矢量，從而獲得方向性更強的主瓣；再通過移相器改變各陣元發(fā)射信號的相位，在合法方向上產生正確的星座圖，而在其他方向產生幅度和相位都發(fā)生畸變的信號，抑制了竊聽接收機竊取有用信息，形成了一條安全的通信鏈路，完成了通信信息的可靠傳輸。其中，每個子陣亦可通過天線子集選擇、切換天線陣等方向調制方法進行子陣性能的優(yōu)化，從而提高混合陣的整體安全性能。

總而言之，通過對混合天線陣的設計，在射頻端形成多波束的同時輻射通信信息，使得發(fā)送的調制信號的幅度和相位都與方位參數有關，通過方向調制區(qū)分了不同方向發(fā)送的信號星座圖，使竊聽方向接收到的信號星座圖是畸形的，從而扭曲了竊聽方向接收到的信息，達到了安全通信的目的。而且每個子陣可同時產生多個波束，將原來的單用戶系統(tǒng)拓展到多用戶系統(tǒng)，擴大了天線陣的應用范圍?；旌详嚥粌H能提高信息的傳輸可靠性，還因其能很大程度上減少天線部署的代價，降低計算復雜度，所以混合陣在基于大規(guī)模天線陣的5G通信系統(tǒng)中應用前景廣闊。

4 結束語

在第5代移動通信系統(tǒng)中，人們對于數據業(yè)務的需求呈現爆炸式增長，所以信息通信技術帶來的安全問題隨之變得更為突出，能量消耗也變得更加嚴重。大規(guī)模MIMO技術因其能提高頻譜效率和可靠性而成為5G移動通信的一個關鍵技術，將大規(guī)模MIMO技術和方向調制技術相結合應用在5G系統(tǒng)中為其通信帶來了安全。但是，這也只是從理論角度論述其安全性，而且目前研究中的信道模型比較簡單，實際的無線信道中的多徑衰落等因素并未考慮全面，信道狀態(tài)信息(CSI)準確估計上的誤差，將會影響其能達到的理想的安全層次，所以建立一個接近實際通信環(huán)境的信道模型是進行正確安全評估的首要任務。

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Research on Secure Communication Technology in 5G Based on Massive MIMO

WU Min，WU Meng

(Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)

With the rapid development of modern information security and wireless communication technology,more and more people have paid attention to the security of sensitive information in the transmission process.It is particularly important to focus on secure services for 5G mobile systems,which is faced with a wide range of data traffic.With the increasing computing ability of the computer,the traditional encryption and decryption algorithm based on the computational complexity and the secret key negotiation mechanism has been unable to meet the requirements of wireless communication security in future.However,because directional modulation technique based on signal modulation can distort the signal constellation in undesired direction without considering the computer ability of the eavesdroppers,it is becoming a important hotspot in 5G system.Simply introducing the principle and shortcomings of technique,it is demonstrated that how the directional modulation technique based on antenna selection and mixed array achieve the goal of safe transmission under the premise of the large scale antenna array,and that the improvement of safety performance from the theory is validated.

5G;Massive MIMO;directional modulation;antenna selection;mixed array

2016-05-15

2016-08-24

時間：2017-03-07

江蘇省基礎研究計劃(BK20151507)

吳 敏(1991-)，女，碩士研究生，研究方向為物理層安全技術；吳 蒙，博士，教授，研究方向為無線通信、信息安全等。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170307.0921.032.html

TP309

A

1673-629X(2017)04-0130-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.04.029