毫米波大规模MIMO物理层安全传输技术

Taking the millimeter wave (mmWave) multiple-input-multiple-output (MIMO) as the study object, this project considers to investigate the physical layer security (PLS) issues of the mmWave MIMO in the single-cell scenario and multiple-cell scenario respectively. The main research work involved in this project can be detailed as follows. First, this project focuses on the PLS issues of the single-cell single-user mmWave MIMO. By utilizing the beamspace of mmWave MIMO channel and orthogonal matching pursuit algorithm, this project studies the low-complexity design method for optimizing the hybrid analog/digital secure precoding and the artificial noise transmission strategy, so as to maximize the secrecy rate of the system. After that, an universal secure transmission technology for the mmWave MIMO can be achieved. With the proposed universal secure transmission strategy, this project further considers the PLS of the single-cell multi-user mmWave MIMO system. In this specific case, the project investigates the secure multiplexing techniques for transmitting multiple confidential data-streams, so as to handle security issues due to the information leakage among users and external eavesdroppers. Finally, this project studies the PLS issues of the multi-cell mmWave MIMO system. Considering the PLS of the heterogeneous cellular network with correlated user, eavesdropper and base station locations, this project studies the joint uplink-downlink PLS of the heterogeneous network, and the impact of network parameters on the secrecy of the network.

本项目以毫米波多输入多输出（multiple-input-multiple-output，MIMO）物理层安全为研究对象，分别从单小区和多小区两个角度展开研究。主要内容包括：首先，研究单小区单用户毫米波MIMO物理层安全。为最大化系统安全传输速率，利用信道的波束空间和正交匹配跟踪算法，研究数模混合安全预编码器和人工噪声发射策略的低复杂度设计方法，获取毫米波MIMO普适性的安全传输技术；然后基于此普适性策略，进一步考虑单小区多用户毫米波MIMO物理层安全，研究多路私密数据流的安全复用技术，得到能够同时解决由于用户间信息泄露和外在窃听者窃听所产生的安全问题的安全传输技术；最后，研究多小区毫米波物理层安全。研究当基站，用户和窃听者的空间位置分布存在耦合性时的毫米波多层异构网物理层安全，分析多层异构网中上行/下行链路的联合物理层安全性能，以及网络参数对网络物理层安全的影响。

伴随着5G技术应用的不断深化，拥有大带宽和高速率的毫米波通信将承载着越来越多的私密信息。因此，保证通信的安全性是推动毫米波通信广泛部署的关键。然而，传统无线安全传输沿用着有线安全的设计思路，采用基于密钥加密的计算安全思想保护信息传输的安全性，但没有考虑到信道开放性带来的安全威胁，严重影响毫米波通信的安全性能。针对这个问题，项目以信息论为理论基础，围绕无线信道开放性这个毫米波安全通信的根源性缺陷，利用无线信道的异构性和毫米波大规模MIMO丰富的空域自由度，通过研究毫米波物理层安全传输技术和网络级物理层安全性能分析方法，为毫米波通信建立无线侧的内生安全防御体系，补齐毫米波通信物理层的安全短板，给出毫米波通信和安全的一体化设计方法。具体研究内容可概括为：首先，考虑单用户场景，挖掘毫米波MIMO的天线分集增益和智能反射表面对无线信道的重塑能力，研究窄波束、低泄露的鲁棒安全发射波束设计，给出毫米波通信的空域安全传输策略，提升信号的低检测性，保护通信行为的隐蔽性。仿真结果显示空域自由度能够大幅度提升安全性能，抵御不确定安全威胁。其次，考虑多用户广播信道，在安全中断概率和用户最小传输速率的约束下，研究毫米波鲁棒的安全复用技术以最大化广播信道的最低可达安全传输速率。仿真结果显示，在仅获得窃听信道非理想信息的条件下，增大发射功率不一定能改善信号的安全传输性能；研究智能反射表面辅助的毫米波共生安全广播系统优化设计，其中智能反射表面通过动态调整反射系数在实现信号寄生传输的同时，增强宿主信号的物理层安全性能，实现与发射源的共生共存。最后，考虑毫米波随机网络，基于随机几何理论研究人工噪声对提升毫米波蜂窝车联网安全性能的重要作用，分析网络参数对物理层安全性能的影响。仿真结果表明，虽然人工噪声有益于信息传输的安全性，但考虑到节点间的互扰，需要优化人工噪声发射功率在阻塞窃听者和保护接收机之间实现最优平衡。