[论文解读] Analysis and Design of Secure Massive MIMO Systems in the Presence of Hardware Impairments

Jun Zhu, Derrick Wing Kwan Ng+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2016

Wireless Communication Security Techniques参考文献 34被引用 5

一句话总结

本文分析并优化了在硬件非理想条件下下行链路大规模MIMO系统的保密速率，建模了基站处的相位噪声、附加失真和接收机噪声，同时假设窃听者硬件理想。提出了一种广义零空间人工噪声预编码方案，可缓解相位噪声影响，并表明在人工噪声功率较低时，附加失真噪声反而能 paradoxically 提升保密性能。

ABSTRACT

To keep the hardware costs of future communications systems manageable, the use of low-cost hardware components is desirable. This is particularly true for the emerging massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems which equip base stations (BSs) with a large number of antenna elements. However, low-cost transceiver designs will further accentuate the hardware impairments which are present in any practical communication system. In this paper, we investigate the impact of hardware impairments on the secrecy performance of downlink massive MIMO systems in the presence of a passive multiple-antenna eavesdropper. Thereby, for the BS and the legitimate users, the joint effects of multiplicative phase noise, additive distortion noise, and amplified receiver noise are taken into account, whereas the eavesdropper is assumed to employ ideal hardware. We derive a lower bound for the ergodic secrecy rate of a given user when matched filter (MF) data precoding and artificial noise (AN) transmission are employed at the BS. Based on the derived analytical expression, we investigate the impact of the various system parameters on the secrecy rate and optimize both the pilot sets used for uplink training and the AN precoding. Our analytical and simulation results reveal that 1) the additive distortion noise at the BS may be beneficial for the secrecy performance, especially if the power assigned for AN emission is not sufficient; 2) all other hardware impairments have a negative impact on the secrecy performance; 3) { extcolor{blue}{despite their susceptibility to pilot interference in the presence of phase noise}}, so-called spatially orthogonal pilot sequences are preferable unless the phase noise is very strong; 4) the proposed generalized null-space (NS) AN precoding method can efficiently mitigate the negative effects of phase noise.

研究动机与目标

• 分析硬件非理想性——相位噪声、附加失真和接收机噪声——对下行链路大规模MIMO系统中遍历保密速率的影响。
• 研究当窃听者使用理想硬件试图窃听信号时，这些非理想性如何影响物理层安全性。
• 在现实硬件约束下，通过优化导频序列和人工噪声（AN）预编码以最大化保密速率。
• 提出一种广义零空间（G-NS）人工噪声预编码方法，有效缓解相位噪声的负面影响。
• 在匹配滤波预编码和人工噪声传输下，推导出在硬件不完美条件下的遍历保密速率下限。

提出的方法

• 在存在硬件非理想性的情况下，利用匹配滤波（MF）预编码和人工噪声（AN）传输，推导出遍历保密速率的下限。
• 将基站和用户端的硬件非理想性建模为乘法性相位噪声和加法性失真噪声，同时包含放大的接收机噪声。
• 提出一种广义零空间（G-NS）人工噪声预编码技术，通过将阵列划分为子阵列来抑制相位噪声影响。
• 利用统计信道状态信息和大系统分析，推导出保密速率和人工噪声泄漏功率的闭式表达式。
• 应用詹森不等式和矩阵集中结果，对窃听者容量进行上界估计，从而实现保密速率分析。
• 优化上行导频训练的导频集和人工噪声预编码设计，以在硬件非理想条件下提升保密性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同类型的硬件非理想性——相位噪声、附加失真和接收机噪声——如何影响大规模MIMO系统的保密速率？
• RQ2 基站处的附加失真噪声能否提升保密性能，其条件是什么？
• RQ3 相位噪声如何降低保密速率，是否能通过先进预编码技术有效缓解？
• RQ4 在硬件非理想条件下，如何最优设计导频序列和人工噪声预编码器以最大化保密速率？
• RQ5 在存在相位噪声时，广义零空间（G-NS）人工噪声预编码方案是否优于传统零空间预编码？

主要发现

• 基站处的附加失真噪声可提升保密性能，尤其在人工噪声功率分配不足时更为显著。
• 相位噪声及其他硬件非理想性（附加失真除外）会降低保密速率，其中相位噪声影响尤为严重。
• 尽管在相位噪声下易受导频干扰，空间正交导频序列仍是优选，除非相位噪声非常强。
• 所提出的广义零空间（G-NS）人工噪声预编码方法通过利用子阵列结构，有效抑制了相位噪声的负面影响。
• 推导出的遍历保密速率下限紧致，可在真实硬件非理想条件下实现精确性能评估。
• 通过统计独立性和矩阵集中结果对窃听者容量进行上界估计，使保密速率分析具有可处理性。