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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.
[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.