面向5G的大规模MIMO可靠传输技术研究

The large-scale multiple-input multiple-output (MIMO) technique employs an enormous amount of base station antennas to serve a much smaller number of users, providing unprecedented improvements in spectral efficiency and throughput. It is widely recognized as one of the key enablers for the fifth generation (5G) communication system. The acquisition of the channel state information (CSI) is based on the uplink training which can be contaminated by the inter-cell interference, and is vulnerable subject to the deliberate attacks from eavesdroppers. The pilot contamination phenomenon constitutes the bottleneck for the system performance, and is the potential breach of the information security. This project plans to research the theory and key technologies of reliable transmission in the large-scale MIMO systems. In particular, the project will be carried out in three aspects: 1) the research on the reliable CSI acquisition methods through smart pilot allocation and advanced channel estimation techniques; 2) the research on the mitigation of pilot contamination interference through distributed space-time coding; 3) research on the reliable uplink/downlink information transmission in presence of pilot contamination attack from active eavesdroppers. The project strives to achieve theoretical breakthrough and technical innovations in the aforementioned three aspects, so as to contribute to the research and development of the 5G techniques in China.

大规模MIMO技术利用大量的基站天线达到了前所未有的频谱效率和系统容量，被广泛认为是第五代移动通信（5G）的标志性支撑技术。然而大规模MIMO系统中基于上行训练的信道获取模式容易受到多用户间重用导频的干扰，也容易遭到恶意用户发动的导频攻击。这使其性能的发挥受到严重的制约，并造成信息传输中的安全隐患。本项目针对5G发展需求，研究大规模 MIMO系统中的可靠传输理论与关键技术。具体的，本项目拟从三个主要方面展开工作：1）研究基于智慧的导频分配策略以及高性能信道估计方法的大规模MIMO信道获取方式；2）研究使用分布式空-时编码，以增强大规模MIMO下行链路中预编码抵抗导频污染的能力；3）研究存在恶意用户攻击导频信号的情况下，大规模MIMO系统上、下行信息的可靠传输。本项目将力求在以上三个方面取得理论突破和技术创新，对我国5G技术的发展和积累起到积极的作用。

在本基金项目框架内，课题组围绕着未来5G移动通信系统核心技术——大规模MIMO所面临的关键挑战展开了研究工作。通过整理大规模MIMO技术在导频污染、信号预编码、信道状态信息获取等关键研究方向上的重要文献，课题组理清了大规模MIMO技术发展的脉络、明确了技术的进展程度，进一步明确了在大规模MIMO技术面临的诸多挑战中，导频污染现象的发现与防范、大规模MIMO系统高效随机接入机制、低复杂度MIMO迭代译码算法等三个问题缺乏系统的研究，未能得到有效的解决，是限制大规模MIMO技术理论性能发挥的亟待解决的问题。针对上述问题，本课题具体在以下三个方面展开了研究：1）研究了低复杂度迭代MIMO译码算法，使得MIMO接收机可以在存在干扰的情况下，更有效地恢复用户数据，并且提出适宜于硬件实现的基于定点数表示方式的算法实现方式。2）研究了大规模MIMO系统中导频污染现象的检测方法。推导了大规模MIMO场景下的信号相位差的理论分布范围，提出了一种基于随机符号序列的导频污染检测方法。该方法适用于用户使用单个发射天线的场景。进一步，在用户使用多个天线的场景下，利用大维随机矩阵理论研究了合法用户信号特征值的分布区间，并以此为依据提出了一种基于随机矩阵理论的导频污染现象检测方法。基于项目所搭建的基于软件无线电的硬件实验平台，研究了利用无线信道的随机性和设备指纹提升物理层安全性的方法。3）研究了大规模MIMO系统中的高效随机接入机制。利用大规模MIMO系统中所拥有的空间自由度，提高多用户随机接入的能力。提出通过合并大量天线接收到的用户信号，抑制信道随机特性以及加性噪声对用户信号产生的影响，使基站接收到的不同用户信号表现为多个有用信号的叠加，从而将多用户接入问题转化成多用户信号译码的问题。有效提高了大规模MIMO系统多用户接入能力。