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摘要：随着无线通信技术的快速发展，在5G移动通信网络中，将包含大量敏感、机密的信息，因此通信安全问题受到人们广泛关注。本文主要针对基于Massive MIMO的5G安全通信技术进行研究，为用户提供可靠传输服务，相较于传统的加解密算法及密钥机制来讲，当前5G安全通信研究重点主要放在方向调制技术上，该技术通过调整信号星座图达到安全传输目的，在通信系统有效构建上起到重要作用。
关键词：Massive MIMO；5G通信技术；方向调制
前言：近年来，Massive MIMO技术取得良好发展，在通信网络建设上有着广泛应用，在解决系统能耗和系统频谱效率低的问题上有重要意义。随着通信技术不断发展，人们对通信数据传输速率提出更高要求，5G通信系统发展过程中，要将重点放在提升传输效率和通信可靠性上，合理运用Massive MIMO技术来实现5G通信领域不断发展。
一、Massive MIMO技术优点
在移动通信系统中，基站可通过信道互易性判断下行链路信道状态信息，根据信道估计可知，信道估计复杂度和用户数量成正比，而与天线数无关。将Massive MIMO引进到5G通信系统搭建中，能体现出以下优点：一是随机变化特征趋于稳定。以往系统框架中，天线数量少，信号接收及发送端对应的信道都体现出个性化，彼此之间联系较小。但当天线数量增加到足够大时，随机变化的信道矩阵元素之间趋于稳定，这时矩阵可按照特定方式来拓展，降低整体运行复杂度，提高通信传输精准度[1]。二是降低用户间不相关性。随着系统内天线的增加，不同信道间形成正交关系，天线不断增加，在通信系统运行中，可忽略热噪声和信道干扰问题。Massive MIMO技术的应用，能明显增加天线数，进而提高有用信号占比，为用户提供精确的数据信息。三是提升系统的频谱效率。Massive MIMO技术应用特点为大幅度增加天线数量，充分利用空间范围内的无线资源，实现频谱利用率最大化。将该技术和5G通信网络构建相结合，有利于提高通信传输质量及效率。
二、基于Massive MIMO的5G安全通信技术
无线通信业务不断发展，使得频谱资源更加紧张，为了提高这些通信资源利用率，需要有针对性的改进无线通信技术，从上述可知，MIMO技术可通过提高天线数量来保障信息分辨精确度，形成较窄的波束减少干扰，由此提高通信可靠性。如果利用Massive MIMO技术体系中的方向调制技术，在保证数据传输效率的同时，还能保证数据传输安全性。
（一）方向调制及波束赋形技术
当前无线通信系统中，普遍采用波束赋形技术，能实现数据定向传输。利用天线矩阵中各元素辐射的电磁波相抵消的特点，使低功率信道面向非期望方向，高功率信道则面向期望方向，加强信号强度，以免非法分子对信号造成干扰。该技术利用下，通信网络信干噪比明显提高，使其在信号传输中体现出应用优势。波束赋形模型如下所示。
图 1 波束赋形模型示意图
有研究表明，采用波束赋形方式得到的波束，可起到增强接收信号强度的作用，在建设通信系统时，要科学设计波束零点，防止非法用户窃取信息。这一技术缺陷为不同方向接收到的信号存在能量和幅度上的差异，但接收到的调制信号对应的星座图相同。因此，当窃听接收机有着较好灵敏度时，将获取正确的通信数据，还需要改进现有通信技术。方向调制技术实质是：不同阵元对应特定的发射光束，利用相移器调整各个波束的相位，使多个波束能够合成传输到期望方向，这时非期望方向接收到的信号星座图将发生畸变。在通信过程中，切换天线反射器和射频开关，则不同方位的信号星座图不同，通过射频开关的科学设置，能在期望方向形成正确星座图，提高传输安全性。
（二）以稀疏阵为主的方向调制技术
天线矩阵排列形式包括面阵、线阵多种，可分别采取均匀矩阵或非均匀矩阵的方式。在均匀矩阵中，各元素阵元间距相同，如知道合法接收方向与干扰方向，则可调节移相器来将正确信号合成在一起，采用泰勒综合法、贝利斯综合法等方式来抑制干扰信号，从而提高信号传输精确度和安全性。但是考虑到阵元间距过小将产生互耦效应，无法保证信号稳定传输，因此，在5G通信系统中，往往选用非均匀排列方式，稀疏矩阵中阵元间距较大，减弱了互耦效应，有助于提高信号分辨率。以稀疏矩阵为核心的方向调制技术，基本思想为在发射信号中选择部分性能优良的天线进行信号传输，要确保天线的合理选择。另外，还要求信道之间是不相关的，通过加强发射功率来保障通信质量。面对未来无线通信业务的多样化需求，在运用Massive MIMO技术时，应主要关注以下问题：一是信道建模。传统信道模型已不适用于Massive MIMO系统，需要结合方向调制技术运用特点，选择恰当的建模方式，直观展现整个5G通信网络的运行状况；二是技术融合。为了通信领域将更多强调多技术的融合发展，是满足通信需求的基础条件，因此，Massive MIMO技术和毫米波、3D MIMO、易购网等技术的结合，是5G通信系统发展主要趋势。
（三）以混合阵为主的方向调制技术
在设计天线阵时，将其中的阵元按照特定规律排列成多个子矩阵，确保各个阵元对应特有的移相器，共同组成混合阵。混合天线阵方向调制关键在于科学划分子阵列。通常将子阵拓扑分成交叉阵列划分和相邻阵列划分两类。相邻阵列划分法形成的波束宽度要大于交叉阵列对应的波束。在主瓣两端存在旁瓣，容易产生信号干扰，是影响安全通信的主要因素[2]。从这一角度看，交差阵列设计方法在通信网络中有一定应用优势。但需要注意的是，当子阵列划分不当时，尽管完成了基础的调制操作，却会因为外部因素对主波束造成干扰，由此降低了天线性能。因此，运用方向调制技术时，需要从科学划分子阵列角度出发，选择粒子群算法、遗传算法，解决主波束传输时的干扰问题，是设计混合阵时的有效手段。总的来说，采用混合天线阵设计方法，能保证射频段形成和信号辐射两个过程同时进行，改变非期望方向的信号星座图，提高信号保密性，是Massive MIMO技术在5G安全通信上重要应用性的体现，为5G网络规模不断扩大提供了技术保障。
结论：综上所述，5G通信已经成为国内外研究热点，从Massive MIMO技术运用特点看，将其运用到5G移动通信网络建设中，有利于提升系统频谱效率，并能在方向调制技术作用下，实现移动通信数据的安全传输。实践表明，Massive MIMO技术是当前5G通信系统中的关键技术之一，为系统性能的提升提供了技术支持。
参考文献：
[1]庞玥.5G通信中增强物理层安全毫米波通信技术与大规模MIMO技术的分析[J].中国新通信,2018,20(08):11-12.
[2]吴敏,吴蒙.基于Massive MIMO的5G安全通信技术研究[J].计算机技术与发展,2017,27(04):130-134.
论文作者:裴洋
论文发表刊物:《科技新时代》2019年6期
论文发表时间:2019/8/15
标签：波束论文; 技术论文; 信号论文; 天线论文; 信道论文; 方向论文; 通信论文; 《科技新时代》2019年6期论文;