摘要：网络通信安全是保障信息在传输形式中实现的可用性、完整性、可靠性以及具有较大的保密性。本文在0/1式跳空正向训练模式的基础上，为了防止无线网络通信传输信息泄露使侦听方侦听成为可能的情况发生，提出了权值反馈型反向训练技术，并通过理论分析和实验仿真验证了该技术的可行性和优越的安全性能。
关键词：反向训练；网络通信；安全传输
0/1式跳空反向训练技术，完全可以在公开无线网络通信传输信息的情况下，依然实现安全通信，它从根源上去解决无线网络信道开放性导致的安全问题，并直接在物理层实现无线网络安全通信。
一、网络通信安全简述
网络通信安全是保证用户在使用网络工作时，能安全顺利的传输各种信息。很多情况下网络操作存在着隐患，比如，随着计算机等技术的发展，以及这个快速发展的时代，人们不仅使用一些聊天工具，而且随着网络购物的普遍存在，不可避免的使用着网上支付平台，这些使用网络的方式，容易导致用户信息的泄露。所以，在使用网络时要确保安全，网络通信安全就是要消除安全隐患，从而保证用户使用过程中的通信安全。
二、网络通信安全威胁来源
1、软件。各种商业软件在很大程度上便利了人们的生活，特别是在智能手机与计算机高度普及的今天，通信系统使用的商业软件极具公开化，这就直接加剧了通信的危险性。实际数据表明，没有一种软件是完全安全的，也就是说所有的软件都不可避免、或多或少的存在安全漏洞。同时，这些漏洞的存在恰恰被一些不法分子钻了空子，导致用户的私人资料被窃取和破坏。
2、病毒。通信网络之所以会出现安全隐患，其中最重要的因素就是计算机病毒的存在和传播。因特网是计算机病毒传播的主要渠道，因此，用户会受到很大的影响。比如，当病毒侵入网络通信时，就如细菌侵蚀细胞，对信息系统形成大规模的感染，对信息通道形成阻塞，导致计算机瘫痪。
3、通信道。信息在传输的过程中极其容易被窃取，所以通信道存在的巨大安全隐患也不容小觑，一旦缺乏电磁屏蔽伞或其不能发挥对网络讯息的保护作用，就会造成传输内容在传输过程中被人拦截，从而使重要机密外漏，对企业和个人造成的损失和影响都是难以估量和无法挽回的。
三、0/1式跳空无线网络信道模型
无线网络安全传输模型由发射方Alice有J根天线，目标用户Bob有K根天线，侦听用户Eve有M根天线。一般要求收发信道可以互易，当信道慢变时，这种互易性可通过时分双工得到充分保证。同时，通信双方使用相同的载波频率，并采用窄带信号模型。
此外，针对信道模型假设如下：①传播介质应均匀、线性、各向同性；②各天线阵元间距大于一个波长，阵元间影响忽略不计；③接收噪声为零均值加性高斯白噪声，相互独立，且独立于信号；④信道慢变，即通信的一段时间内，信道特性是恒定的。
跳空技术是利用数字通信有限码集的特点，通过训练方式获得接收权值，无需求解复杂的多径信道，不涉及矩阵求逆运算，极大地降低了运算复杂度。为了有效消除噪声影响，可增加符号持续时间，利用噪声之间的独立性和其独立于信号的特性，通过累积相关接收来实现，这是对付噪声最基本的手段。比如每个符号发送P个载波周期对于每根接收天线，同一信号通过多径（包括直射径和反射径）到达该天线的时延不同，造成各路径到达的符号公共有效部分少于P个载波周期，假若收发天线间各路径的时延差均不超过L个载波周期，则对于每个符号，接收端可截取
个载波周期进行数据处理。
有关资料已验证，通信双方按照无线网络通信传输信息进行收发，目标用户Bob使用训练的权值解调能得到规整星座图。可以预见，一旦侦听方Eve窃取无线网络通信传输信息，而且掌握训练时机实时参与训练，就能获得对应其与发射方Alice之间信道的权值，这样就完全可以同Bob一样正确解码。
四、权值反馈型反向训练技术
权值反馈型反向训练技术如图1所示，其基本过程是：
1、目标用户Bob依次切换天线向发射方Alice发送约定符号，Alice训练得到Bob的接收权值。
2、Alice将权值反馈给Bob，Bob对应无线网络通信传输信息选择权值，加权接收。
图1 权值反馈型反向训练技术
反向训练阶段，当Bob接通第k根天线发送信号，
时，Alice端参考信号exp（jω0t）取
个载波周期进行相关检测接收，其作用相当于一个高阶极窄带匹配滤波器，它对噪声的抑制非常显著，以下讨论忽略噪声的影响。
根据式
可得Alice各天线的接收信号为
接收数据跟本地参考信号做相关得：
其中，
，T为信号载波周期。双方约定发射符号Asexp（jθs），得到信道信息：
Bob依次切换天线发射，Alice可以训练得到Bob到Alice的
维信道矩阵：
根据信道互易性，易知Alice到Bob的信道矩阵
。则对应Alice第j根发射天线，Bob相应权值可以设计为
考虑到实际通信中，同一信号到达各接收天线的时延不同，若先将各路接收信号加权合并后做相关，则会导致符号有效部分减少。此时采取的措施是：各接收天线独立进行相关接收，之后根据无线网络通信传输信息选择权值，加权合并解调，最后进行符号判决。
当Alice切换到第j根天线发射信号
时，Bob各天线接收信号为
。
接收数据与Bob端参考信号exp（jω0t）做相关得：
加权合并恢复信号为
不难验证，反向训练得到的权值与正向训练的权值在无噪声情况下是相同的，反向训练同正向训练一样，不仅可以正确解调信息，而且也可以得到规整的星座图（As，θs）。
五、仿真实验和分析
以下仿真验证了反向训练模式下的0/1式跳空技术，对目标用户接收的可行性及其安全性能。
1、目标用户接收的可行性。仿真中，发射方Alice和目标用户Bob均配置4天线，天线间距大于一个波长。Alice与Bob间随机设置反射点，且满足各路径时延差不超过20个载波周期，接收端采用4倍过采样。仿真中发送QPSK符号，比较在相同信道场景的情况下，正反向训练技术的信息解调情况。以下用四种图注区分不同QPSK符号。在理想情况下，即没有噪声时，正向和反向训练的解调结果分别如图2和图3所示。
从图中可看出，理想情况下，正反向训练都能解调得到规整的星座图，因为此时两者都可以训练得到真实的信道信息，得到的接收权值相同，所以解调结果一致且正确。
图4和图5分别给出了信噪比为-10dB和-20dB时的解调结果，由此可看出，随着噪声增加，星座图的汇聚程度减弱，但即便在-20dB的信噪比下目标用户，仍可以通过训练加权有效地恢复原始信息。实验表明对于目标接收，反向训练可以达到和正向训练同等的解调性能，从而验证了0/1式跳空反向训练技术对于目标通信的可行性。
2、安全性能分析。仿真中，发射方Alice、目标用户Bob和侦听方Eve均配置了4根天线，Eve的天线安置在距Bob的天线1/6波长范围内。假设侦听方Eve通过某种途径窃取了无线网络通信传输信息，甚至截获了Alice反馈给Bob的权值。由其实验结果可知，Eve的误符号率随着信噪比增加没有降低，而是逐渐维持恒定，而且高达0.75，这正如凭空猜测QPSK符号也有0.25的正确概率，如此高的误符号率，Eve根本无法侦听。这种现象与噪声无关，本质原因是Eve和Bob两者与Alice之间的信道差异，即便Eve截获权值，也与信道不匹配，无法用于恢复原始信号。另外，Bob在-13dB信噪比下可达到1e-6的误符号率指标，而侦听方根本无法破解这种反向训练模式，该实验充分验证了0/1式跳空反向训练技术极其优越的安全性能。
六、结语
近年来，无线网络通信物理层安全已成为通信领域的研究热点。跳频技术是目前无线网络通信技术中最常用的安全保密措施，很多研究都是基于跳频的思想并联合无线网络信道的部分特性，以此来实现安全通信。
参考文献：
[1]李京生.无线电波的空间传输[J].数字通信世界，2014（10）.
[2]郭罗柏.基于级联随机共振的窄带信号宽带化接收[J].通信学报，2015（07）.
[3]徐家品.一种改进的预补偿反向训练0/1式跳空技术方法[J].计算机应用研究，2016（05）.
论文作者:谷保杰
论文发表刊物:《基层建设》2018年第30期
论文发表时间:2018/11/16
标签：信道论文; 天线论文; 通信论文; 信号论文; 无线网络论文; 符号论文; 噪声论文; 《基层建设》2018年第30期论文;