基于大规模MIMO的物理层安全协作传输方法研究

The future wireless networks will be non-uniform deployment, security will be increasingly sever. The physical layer security can provide “absolute security”, not relying on decode complexity, so it is an efficient approach to support information security for future wireless networks. Based on physical layer security, exploiting the potential advantage of the breakthrough and creative technology massive MIMO for 5th generation mobile communications networks, we study the cooperative transmission method for improving secrecy capacity..The project mainly solves two main challenges: 1) The model set up for secrecy capacity analysis, with base stations (BS) randomly distributed, and imperfect Channel State Information (CSI) caused by pilot contamination; 2) The theory derivation of secrecy performance enhancement with interference coordination technique. The project will provide theory instruction for secrecy coverage and deployment, in future wireless networks, and provide the theoretical basis and technical support for the design and standard-making of the next generation of trusted mobile communications.

未来无线网络将呈现非均匀部署特征，安全问题日益凸显。物理层安全被认为可以提供不依赖破译复杂度的“绝对安全”，成为保障未来无线网络信息安全传输的有效手段。本项目拟从物理层安全的角度切入，同时充分挖掘第五代移动通信网络（5th Generation mobile communications networks, 5G）大规模MIMO突破创新技术的潜在优势，开展提升未来无线网络安全容量的协作传输方法研究，从基础理论上突破。重点解决两个关键问题：1）站点随机分布、导频污染引起的非理想信道状态信息（Channel State Information, CSI）的安全容量分析建模；2）干扰协调协作传输方法对安全性能提升的理论推导。本项目有望为未来无线网络的安全覆盖部署提供理论指导，为下一代可信移动通信的设计和标准制定提供理论基础和技术支撑。

大规模MIMO网络已成为5G及未来无线网络的主要网络形态，随着基站天线数目、小区数目、用户数目的增加，复杂干扰使得安全问题面临前所未有的挑战。基于香农信息理论的物理层安全已成为近年来研究热点之一。本项目研究大规模MIMO网络的物理层安全协作传输方法。.（1）首先建立多小区大规模MIMO网络安全容量分析模型，引入导频污染引起的信道估计误差，考虑窃听者不同窃听行为，研究其对安全性能的影响；（2）为了提升安全性能，提出基站间联合处理和联合波束赋形协作传输方法，结合人工噪声，研究两种协作传输方法下的安全和速率，基于随机矩阵推导了两种协作方法的渐进表达式，优化了人工噪声分配因子和RCI预编码正规化调整因子，两种协作方法可以有效提升安全性能；（3）针对RCI预编码涉及高维矩阵求逆、乘法带来的运算复杂度高问题，提出了一种基于矩阵多项式展开的低复杂度RCI预编码算法，该方案采用较少的多项式阶数就可以达到与RCI预编码近似的安全性能，大大降低了运算量。.上述研究成果可为未来大规模MIMO超密集无线网络的安全覆盖部署提供理论指导。