無線通信系統中的物理層安全技術研究

余操操 徐京 呂湉

摘 要：近年來，物理層安全技術利用傳輸鏈路的物理特性，通過物理層的編碼、調制以及傳輸方式來實現安全通信，因此加強其技術是極為關鍵的。在物理層優化改造過程之中，因為某些客觀不確定的因素而形成的變化會致使其安全性產生意想不到的變化，所以必須在其運行時前總結提出各種可能遇到的問題和因素，然后就是要對所產生的問題進行分析探究，最終找到合理的方法解決問題，本文對其展開探討。

關鍵詞：無線通信系統；物理層；安全技術

1 引言

無線通信技術發展是極為迅猛的，目前來說對其進行物理層安全技術的加強是極為關鍵的，可以有效地使其傳輸效率和安全性得到提升。目前的發展方向主要有以下幾點：（1）對于傳統的有線網絡進行分析，將無線網絡的使用要求以及構建模式進行探究，對于網絡中可能存在的盲區進行進一步的解析，進行網絡的規劃。（2）對于現存網絡的物理層拓撲結構進行分析，同時進行交換機的配置，選取有效的位置來進行交換機的放置，實現信號的高效傳輸，避免干擾。（3）對于無線網絡物理層進行信道劃分，對于其性能進行測試，對它的有效性展開探究，從傳輸帶寬和信號強度等方面對其傳輸效益進行綜合性的評判，得出更加優化的傳輸方案。（4）通過整體的無線網絡建設測試，指出現有的無線網絡技術在現實網絡環境中的不足之處和改進的方向。

2 無線通信系統的物理層安全技術

2.1 物理層安全技術設計原則

（1） 經濟性 應當采用較低的成本來實現，應當按照國家的相關規定，避免出現浪費的情況，盡量的降低成本，因此應該從實用的角度多進行考慮。

（2） 易用、可用性 無線網絡有接入的隨機性和靈活性，因此應該擴大其覆蓋范圍，加強網絡的管理，使得人們對于無線網絡應用更加的便捷。

（3） 移動性 無線網絡可以避免地形對其的控制，為了實現高效的移動上網，因此要保證設備可以進行快速的安裝，使得其移動性提升，讓人們使用更加的方便。

（4） 安全性 無線網絡不需要光纜就可以進行數據的傳輸，但是其安全性也是極為重要的，需要防止外部的信號對其進行干擾，減少網絡的波動情況，同時增大其帶寬，用各種手段來保證其傳輸的有效性。

2.2 多天線分集技術

隨著無線多入多出（MIMO）技術的應用，終端往往具有多根發送和接收天線。多天線技術主要利用空間自由度來實現安全。對于發送端的多天線技術，主要有最大比傳輸（MRT）、空時編碼傳輸（OSTBC）和發送天線選擇（TAS）等方案。最大比傳輸波束成型技術，其通過對多跟發射天線進行系數的加權處理，增強接收端的信號強度；空時編碼技術則利用發端多天線帶來的空間維度和信息傳輸的時間維度來提高信息傳輸的安全可靠性；發送天線選擇技術通過選擇最優的一根發射天線，使得接收端收到的瞬時信噪比最大，而該最優天線對于竊聽用戶端而言卻是隨機的，從而使得主信道質量優于竊聽信道質量。

2.3 協作干擾技術

協作干擾技術是實現物理層安全傳輸的重要手段之一，在不影響合法終端正常通信的前提下，通過在傳輸信道的零空間上疊加人工噪聲和干擾信號來擾亂竊聽節點對信號的接收。人工噪聲或者干擾信號可以分別在發送端、接收端和協作終端上進行疊加。在多入單出無線通信系統中，利用發端天線在傳輸信息的同時，發送干擾信號來提高傳輸的安全性能，并研究了系統功率分配的優化問題和傳輸方案的安全吞吐量。在放大轉發中繼系統中，利用目的節點發送干擾來實現安全通信，并通過干擾功率分配的優化，實現最優的安全傳輸。

3 物理層安全其他優化技術分析

3.1 信道規劃技術

我們對于無線網絡物理層要進行信道規劃，這也是一種極為重要的優化方案，主要考慮的因素是信號的質量與接入范圍，同時我們應該避免出現接入點在重疊情況下可能導致資源的浪費，如果這些接入點都在一個信道，那么就可能會引起信號之間出現相互干擾的情況，網絡的傳輸效率比較低，那么需要進行網絡的劃分，利用虛擬的方式來建立多個無線網絡，每個網絡都要使用自己的帶寬，這樣就可以避免信號的重疊情況，同時要對于具體地形來進行考慮，避免出現空間中的信號干擾，在水平合作或者垂直方向都要進行考慮，避免出現整個樓層的相互干擾，所以我們應當采用相關的信號管理方案，這樣就可以實現信道在物理上和地域上都可以進行隔離，那么就可以讓整個無線網絡的信號強度提升，質量也得到改善，優化整個網絡，一般采用20MHz的頻率進行通信組網，避免出現接入點的重疊等嚴重的問題，加大覆蓋范圍。

3.2 功率調整技術

通過對于無線網絡物理層的功率調整，可以有效的對于其信號的發射情況進行調控，將就可以提升其信道的利用率，通過發射功率調整就可以實現頻道的復用，使得整個無線網絡的通訊性能得到提升，虛擬網絡的建設，可以從成本上進行降低，同時使得使用更加方便。為了實現無線信號的傳輸競爭與沖突避免，那么我們必須對于信道進行相應的監聽，如果發現有其他信道在傳輸數據時就需要進行規避，如果沒有其他信號在信道中，那么我們就可以對于信道進行檢測并且進行數據的傳輸，在無線系統中，每個信道所分到的帶寬，并不是無限的，它是有一定限制的，在完成新的信號傳輸后就要進行信道的收回，為了避免出現接入點之間的相互干擾情況，因此需要對其功率進行相應的調整，使得在同一時刻的一個位置只能出現一個信號比較強的接入點，同時這樣這個信號點必須滿足用戶的需求。

3.3 頻點規劃技術

在整個無線網絡建設過程中，我們必須采用增加接入點的個數來進行用戶的擴容，但是如果接入點過多的話就可能造成信號重疊的情況，為了盡量的使得接入點的頻段干擾減小，就必須對于頻段進行優化，使其能夠在保證覆蓋范圍的情況下，盡量的減少失真率主要有以下的優化原則： 我們對于無線網絡進行優化就可以看出來，在整個網絡的優化過程中，主要是通過頻道的復用來進行的，為了避免頻段之間存在干擾的情況，那么對于同頻干擾要進行抑制，我們遇到的大量的接入點區域當中，1、6號和11號信道可能會多次重復使用，這樣就可能會導致接入點出現相應的頻段重合的情況，因此我們對于這三個頻道要進行重視，加強控制，避免出現更加嚴重的信號錯亂的情況。

4 總結

雖然其能在很多方面代替有線網，但是無線局域網也有它的不足。無線局域網信號衰減快，不能像有線信號一樣傳播更遠的距離。無線局域網能利用的信道少，當有多家運營商在同一地點建設網絡時，很容易造成相互干擾，現在這個問題還沒很好的解決辦法。環境的變化對無線局域網的影響非常大，當環境很復雜時，無線局域網很難提供優質的上網服務。無線局域網也不適合進行室外覆蓋，一般只適用于熱點覆蓋，如果想建成像2G、3G那樣大范圍覆蓋的網絡，成本巨大，而且效果很差。無線局域網只能作為有線網的補充，和3G、4G網相互配合，才具有實際的應用價值。

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作者簡介：

余操操，1996.05.20，男，漢，浙江省慈溪市，學生，本科，信息系統工程