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基于Massive MIMO的5G安全通信技术研究

更新时间：2019-12-07 21:51:45 大小：1M 上传用户：xiaohei1810查看TA发布的资源 标签：5g 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

随着现代信息安全和无线通信技术的高速发展,对于有广泛数据业务量的5G移动通信系统来说,将会有大量的机密、敏感信息在其通信系统中进行传输,所以安全问题越来越引起人们的关注,提供安全传输服务显得尤为重要.随着计算机不断增强的计算能力,传统的基于计算复杂度的加解密算法和密钥协商机制已经不能满足人们对于未来无线通信安全性的要求,而基于信号调制的方向调制技术因其无需考虑窃听者的计算能力,通过扰乱非期望方向上的信号星座图来实现安全传输的目的,成为了5G系统的重要研究点.在简单介绍了波束赋形的原理及其不足的基础上引出方向调制技术,并着重阐述了在大规模天线阵的前提下,基于天线子集选择和混合阵的方向调制技术实现安全传输目标的方法,并且从理论的角度说明了安全性能的提高.

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计 算 机 技 术 与 发 展  
COMPUTER TECHNOLOGY AND DEVELOPMENT  
第 27 卷摇 第 4 期  
2017 年 4 月  
Vol. 27摇 No. 4  
Apr. 摇 2017  
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇  
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇  
于 Massive MIMO 的 5G 安全通信技术研究  
吴摇 敏,吴摇 蒙  
(南京邮电大学,江苏 南京 210003)  
摘摇 要:随着现代信息安全和无线通信技术的高速发展,对于有广泛数据业务量的 5G 移动通信系统来说,将会有大量的  
机密、敏感信息在其通信系统中进行传输,所以安全问题越来越引起人们的关注,提供安全传输服务显得尤为重要。 随着  
计算机不断增强的计算能力,传统的基于计算复杂度的加解密算法和密钥协商机制已经不能满足人们对于未来无线通信  
安全性的要求,而基于信号调制的方向调制技术因其无需考虑窃听者的计算能力,通过扰乱非期望方向上的信号星座图  
来实现安全传输的目的,成为了 5G 系统的重要研究点。 在简单介绍了波束赋形的原理及其不足的基础上引出方向调制  
技术,并着重阐述了在大规模天线阵的前提下,基于天线子集选择和混合阵的方向调制技术实现安全传输目标的方法,并  
且从理论的角度说明了安全性能的提高。  
关键词:5G;Massive MIMO;方向调制;天线子集选择;混合阵  
中图分类号:TP309摇  
摇 摇 摇 摇 摇 文献标识码:A摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 文章编号:1673-629X(2017)04-0130-05  
doi:10. 3969 / j. issn. 1673-629X. 2017. 04. 029  
Research on Secure Communication Technology in 5G  
Based on Massive MIMO  
WU Min,WU Meng  
(Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)  
Abstract: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 serv鄄  
ices 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 eavesdrop鄄  
pers,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.  
Key words:5G;Massive MIMO;directional modulation;antenna selection;mixed array  
在 5G 移动通信系统中,将会有大量的敏感和机  
0摇 引摇 言  
密的信息,如金融数据、电子媒体、医疗记录、客户档案  
等,通过无线信道进行传输,因此,提供无与伦比的安  
全服务是 5G 网络在设计和实施上的一个首要任务。  
在传统的无线通信网络中,其安全性主要是依靠上层  
的加密协议体系,通过对传输信息进行加解密、认证等  
技术来保证窃听者得不到任何有用信息。 传统的信息  
加密机制是在数据链路层或应用层上,通过一定的密  
码算法对信息流进行加密。 这种加密方法是建立在计  
随着科技的发展、社会的进步,人们对于移动无线  
通信系统的要求也与日俱增。 据预测,到 2020 年,移  
动通信网络将面临 1 000 倍数据容量和 100 倍设备连  
接数增长的挑战[1] ,或许已经成熟的第三代移动网络  
和逐步成熟的第四代移动网络还可以承受住未来几年  
数据流量的激增,但是 2020 年以后,它们将不能够支  
持这样一个设备数量大,网络流量需求高的移动网络,  
那么第五代无线通信技术的研发就迫在眉睫。  
收稿日期:2016-05-15摇  
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修回日期:2016-08-24摇  
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网络出版时间:2017-03-07  
基金项目:江苏省基础研究计划(BK20151507)  
作者简介:吴摇 敏(1991-),女,硕士研究生,研究方向为物理层安全技术;吴摇 蒙,博士,教授,研究方向为无线通信、信息安全等。  
万方数据  
网络出版地址:http:/ / kns. cnki. net/ kcms/ detail/ 61. 1450. TP. 20170307. 0921. 032. html  
摇 第 4 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 吴摇 敏等:基于 Massive MIMO 的 5G 安全通信技术研究  
·131·  
算复杂度上的,随着计算机运算能力的飞速提升,这种  
方式已不再安全,所以另觅一个不依靠计算复杂度的  
加密算法和密钥协商机制的安全传输技术显得尤为重  
要。 保证无线传输中窃听接收机的 LPI(Low Probabil鄄  
ity Interception,低截获概率)[2] 是安全通信的重要目  
标之一,主要是指不再依靠上层的数据加解密和密钥  
协商等手段来取得的安全性能。 方向调制技术是一种  
能实现定向通信的重要技术,它将传统的基带调制功  
能转为由射频端来完成[3] ,通过扰乱非期望方向的信  
号星座图来保证低截获率,从而实现信息的安全传输。  
随着未来各种无线通信业务和宽带数据业务的不  
断发展,无线资源,尤其是频谱资源变得越来越紧张,  
如何更高效地利用这些有限的通信资源成为无线通信  
新技术发展的焦点所在。 研究表明, 大规模 MIMO  
率效率,降低发送功率,通过形成范围很窄的波束来降  
低干扰,提高安全性[5] 。 总而言之,大规模 MIMO 技  
术不论在频谱效率、可靠性还是能耗方面都具有不可  
比拟的优势,正是这些优点使得其成为 5G 研发者的  
研究热点。 如果在大规模 MIMO 情境中利用方向调  
制技术传输数据,不仅可以实现数据的大量、高速传  
输,更可以在物理层面上实现数据的安全传输。  
1摇 波束赋形和方向调制技术  
波束赋形技术是目前存在的无线安全传输技术中  
的一种,它是实现信息定向传输的有效手段。 利用天  
线阵列上各天线元素发射的电磁波相干相消的特性,  
形成的主瓣用来对准期望方向,而低功率的旁瓣或者  
零限位置则用来对准非期望方向,从而增强合法接收  
者的有效信号,抑制对合法接收者信号产生干扰的干  
扰源,进而提高通信系统的整体信干噪比,使系统的通  
信性能变得更好。 波束赋形模型如图 1 所示。  
(Multi-Input Multi-Output,多输入多输出) 技术[4]  
通
过在基站配置大量收发天线提高空间的分辨率,使得  
多用户可以利用同一时频资源进行通信,而且大规模  
MIMO 技术可以在不增加基站密度的情况下,提高频  
图 1摇 波束赋形技术模型图  
摇 摇 近来研究表明,通过波束赋形方法产生的定向波  
束,可增强合法接收者的接收信号强度,如果合理设计  
波束的旁瓣或零点,就可以在一定程度上抵御非法用  
户的窃听。 由图 1 不难看出,这种方式的缺点在于不  
同方位的接收信号只存在信号幅度上的区别(发射天  
线方向图决定) 和能量强度上的差别,而不同方位接  
收的调制信号的星座图相同(即星座点间的相对相位  
关系不发生改变)。 所以,只要窃听接收机具有足够  
的灵敏度,就可以顺利捕获到正确的通信信息,这无疑  
对无线通信信息的安全传输造成了不利影响。  
确的星座图,而无需考虑其他方向信号星座图的畸变  
程度,但遗传算法实现过程复杂,相控阵技术成本代价  
也较高,不实用。 文献[8-9] 通过射频开关和天线反  
射器切换,使得不同方向的天线阵辐射特性不同,如图  
2 所示(引自文献[4] 中图 7)。 只要射频开关配置选  
择得当,将可以在合法方向上产生正确星座图,而在非  
法方向上产生错误的星座图,从而实现安全传输,并且  
随着使用的天线反射切换器和射频开关数的增多,星  
座点数也增多,也能进一步为信息的安全传输提供保  
障。 文献[10] 提出了基于切换天线构成的可重构阵  
的方向调制,采用未经调制的载波直接激励可重构阵,  
通过不断切换重构发射阵列的方式,在合法方向上辐  
射出基带数字调制信号来实现安全传输。 其中,天线  
的每种重构状态对应着基带调制信号星座图中的一个  
星座点。 文献[11] 提出了一种基于双切换天线阵的  
方向调制方法,在天线端通过发射天线的不断切换来  
综合出调制信号,同时用射频调制以使非期望方向上  
的星座点产生畸变,降低窃听者的截获率,导致窃听者  
方向调制技术即射频调制技术,主要思想是:每个  
阵元对应一个发射波束,通过相移器来控制每个波束  
的相位中心,期望方向会同时接收到多个通信波束并  
加以合成,形成与传统的基带调制信号相同的信号星  
座图,而在非期望方位接收机的信号星座图会产生畸  
变。 国内外已有相关的研究,理论与技术也都比较成  
熟。 文献[6-7]采用遗传算法获得天线阵中每个阵元  
万方数据  
的权值,从而仅在特定方向(即和期望方向)上形成正  

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