Massive MIMO在5G网络物理层安全方面的应用

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  [摘 要]随着移动无线通信业务量的迅速增加,到2020年,目前技术成熟的3G和4G网络可容纳的数据流量将无法满足市场的需求,在这种背景下,塑造了5G网络在全球的研究和发展。而物理层的安全问题又是5G网络的一个重要课题。Massive MIMO技术以其在性能上的巨大潜能吸引了广大研究人员的广泛关注[1]-[2],本文主要对Massive MIMO在物理层安全方面的应用进行了介绍。
  [关键词]5G网络,物理层安全,Massive MIMO
  中图分类号:TN92 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2015)42-0161-01
  一、Massive MIMO系统
  Massive MIMO是在2010年底由贝尔实验室科学家Thomasl.Marzetta提出的。Missive MIMo技术指基站天线数目庞大,而用户终端采用单天线接收的通信方式,可有效地提高无线通信的容量和可靠性。
  Massive MIMO可以得到点对点MIMO所能达到的复用增益,但由于不理想的传播环境,需要消除干扰问题。
  对于Massive MIMO的大多数以前的研究中,下行信道是上行信道矩阵的共轭转置。BS通过上行导频可以获得所有用户的CSI。因此,BS可以进行功率分配,以达到最优的最大化的总的传输效率。
  Massive MIMO系统利用其配备大量天线的优势,极大地提高了系统的容量,非常适合应用到5G网络中,其大容量的特点也为5G的物理层安全的研究提供了更加广阔的空间。
  大规模MIMO系统建议在时分双工(TDD)模式下操作,这是因为在FDD模式下的发射天线数目的线性扩展的信道开销,严重的限制了天线的数目[1]。上行信道和下行信道用的是不同的频率,上行和下行的CSI不同。上行信道估计是通过所有用户发送给BS不同的导频序列得到的。对于上行导频传送的时间独立于BS的天线数。然而,为了获得FDD的下行信道的CSI,两个步骤需要进行。首先,BS发送导频符号给所有用户,并且接下来所有用户反馈估计CSI(部分或者全部)给BS。发送下行信道导频的时间正比于BS的天线数。随着BS天线数的增加,FDD下行传统信道估计变得不再可行,因为信道已经没有传输数据的空间了[3]。
  由于Massive MIMO系统在BS端的天线数较多,所以需要选择低复杂度信道检测的方法,线性信号检测中的MF,ZF和MMSE可以作为Massive MIMO系统中实际的选择,文献[4]-[7]从不同角度研究了Massive MIMO系统的各种线性检测。MMSE和MF的性能比较在文献[4]中提出。MMSE可以达到和MF相同的性能(当较少天线,特别是存在小区间干扰的条件下)。在[7]和[8]研究了MF和MMSE的界比(即天线数和用户数之比)。在[5]中,在一定界比下,得到单小区系数的MMSE方法的SINR闭合表达式。考虑了两种MMSE形式:最优MMSE接收机(不同用户的功率水平)和一种次优MMSE等功率分配。在[6]中,ZF的准确数据速率,误符号率和中断性能被推导出来。除了中心式MIMO系统,在分布式MIMO系统中ZF检测的分析和总速率的上界和下界也被在文献[9]中分析出来;ZF和MMSE检测的复杂度以阶数粗略计算的。
  而在TDD模式下可以解决此问题。有着大规模天线阵列的基站,获得的上行信道的状态信息(CSI),是经来自用户的上行链路的导频信号得到的。然后通过上行链路和下行链路直接的相互关系获得下行的CSI。这对于实现5G网络的物理层安全有重要的意义,因为对于窃听者来说,就很难知道他们和基站之间的CSI,以及其他用户和基站之间的CSI。
  信号检测在物理层安全方面有很重要的意义,如果通过信号检测,可以检测出窃听者的信号,并根据其的信道状况,通过添加人为噪声等其他方法,对窃听信号进行干扰和削弱,这样可以很大程度上提高系统的保密性。
  二 现阶段存在的问题
  1)在Massive MIMO系统中,信道估计存在导频污染的情况,导致对一个用户的信道估计变成与该用户相关的信道的估计,这样就会带来很大的干扰和掉线的情况,而且这种情况不能随着BS天线数量的增加而消失,但导频污染在恶化用户信道的同时,也将窃听者的信号恶化了,这也可以认为是增加了保密性和安全性,所以,如何在导频污染存在的情况下,在尽可能保证用户通信质量的同时,又对窃听者的信道进行恶化,是一个亟待解决的问题。
  2)线性信号检测具有低复杂度的特点,但是相对于非线性检测,其在功率分配等性能问题上还存在很多缺陷,所以,能否实现折中的方案是研究的重点。
  3)我们一般假设的模型中,天线阵列的天线之间一般是不相关的,但在实际的问题中,由于Massive MIMO的基站端天线数目远大于用户数,所以天线相关是不可避免的,这可能导致我们在假设模型中得到的参数不正确,而且会影响到预编码矩阵的生成,从而影响到用户通信的安全性,所以,关于天线的设计和应用是Massive MIMO系统研究的关键。
  三 总结
  Massive MIMO系统极大的提高了系统的容量和可靠性,非常适合应用于解决5G网络的物理层安全方面的问题,但因为Massive MIMO系统的基站端的天线数较多,也存在着很多问题和难点需要解决,如导频污染,天线相关等。
  参考文献
  [1] Nan Yang, Lifeng Wang, Giovanni Geraci, Maged Elkashlan, Jinhong Yuan, and Marco Di Renzo,“Safeguarding 5G WirelessCommunication Networks UsingPhysical Layer Security,”in IEEE Communications Magazine ? April 2015。   [2] W. Roh et al., “Millimeter-Wave Beamforming as an Enabling Technology for 5G Cellular Communications: Theoretical Feasibility and Prototype Results,” IEEE Commun. Mag., vol. 52, no. 2, Feb. 2014, pp. 106–13.
  [3]Lu Lu,Geoffrey Ye Li,A. Lee Swindlehurst,Alexei Ashikhmin,Rui Zhang,“An Overview of Massive MIMO:Benefits and Challenges,”IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN SIGNAL PROCESSING, VOL. 8, NO. 5, OCTOBER 2014。
  [4] N. Yang et al., “Physical Layer Security of TAS/MRCwith Antenna Correlation,” IEEE Trans. Info. Forensics Security, vol. 8, no. 1, Jan 2013, pp. 254–59.
  [5] T. Rappaport et al., “Millimeter Wave Mobile Communications for 5G Cellular: It Will Work!,” IEEE Access,vol. 1, May 2013, pp. 335–49.
  [6] F. Rusek, D.Persson, B.K.Lau, E. G. Larsson, T. L.Marzetta, O. Edfors, and F.Tufvesson, “Scaling Up MIMO: Opportunities and Challenges with Very Large Arrays,” IEEE Signal Process. Mag., vol. 30, no. 1, Jan.2013, pp. 40–60.
  [7] Z. Pi and F. Khan, “An Introduction to Millimeter-Wave Mobile Broadband Systems,” IEEE Commun. Mag., vol.49, no. 6, June 2011, pp. 101–07.
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