[论文解读] Safeguarding Massive MIMO Aided HetNets Using Physical Layer Security

Yansha Deng, Lifeng Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2015

Wireless Communication Security Techniques参考文献 8被引用 3

一句话总结

本文提出了一种基于零迫零波束成形和人工噪声的下行链路大规模MIMO异构网络（HetNets）物理层安全框架，表明大规模MIMO显著提升了保密性能。关键结果表明，由于存在竞争干扰和窃听者信道估计效应，保密中断概率随微微蜂窝基站（PBS）密度先增加后减少。

ABSTRACT

This paper exploits the potential of physical layer security in massive multiple-input multiple-output (MIMO) aided two-tier heterogeneous networks (HetNets). We focus on the downlink secure transmission in the presence of multiple eavesdroppers. We first address the impact of massive MIMO on the maximum receive power based user association. We then derive the tractable upper bound expressions for the secrecy outage probability of a HetNets user.We show that the implementation of massive MIMO significantly improves the secrecy performance, which indicates that physical layer security could be a promising solution for safeguarding massive MIMO HetNets. Furthermore, we show that the secrecy outage probability of HetNets user first degrades and then improves with increasing the density of PBSs.

研究动机与目标

• 研究大规模MIMO对具有多个窃听者的两层HetNets中物理层安全的影响。
• 在随机几何框架下，基于最大接收功率建模用户关联。
• 推导宏小区和微微小区用户保密中断概率的可 tractable 上限。
• 分析随着PBS密度增加，干扰与安全性能之间的权衡。
• 评估大规模MIMO在真实信道条件下提升保密速率的有效性。

提出的方法

• 使用独立的齐次泊松点过程（HPPP）对基站和窃听者位置建模宏小区和微微小区。
• 在宏基站（MBS）上应用零迫零波束成形（ZFBF），其N元天线阵列服务于S个单天线用户。
• 采用基于最大接收功率的用户关联方法，将用户关联到接收信号最强的基站。
• 通过随机几何方法和最恶意窃听者SINR的累积分布函数（CDF）分析，推导出宏小区和微微小区用户保密中断概率的上界。
• 采用不同路径损耗指数（α1=3.5用于宏小区，α2=4用于微微小区）的路径损耗模型，并对所有链路采用瑞利衰落。
• 采用时分双工（TDD）操作以利用信道互易性，并限制窃听者信道估计。

实验结果

研究问题

• RQ1 大规模MIMO如何影响具有多个窃听者的HetNets中的保密中断概率？
• RQ2 微微蜂窝基站（PBS）密度对宏小区和微微小区用户保密中断概率有何影响？
• RQ3 基于最大接收功率的用户关联在HetNets中如何与大规模MIMO相互作用？
• RQ4 在不依赖加密密钥的情况下，能否有效利用物理层安全机制于大规模MIMO增强的HetNets中？
• RQ5 在密集PBS部署场景下，小区间干扰与窃听者信道估计之间存在何种权衡？

主要发现

• 由于阵列增益和波束成形方向性，大规模MIMO显著提升了保密中断性能，降低了窃听者信号功率。
• 宏小区用户的保密中断概率随PBS密度增加先上升后下降，这是由于干扰与窃听者信道估计效应之间的竞争影响。
• 对于微微小区用户，保密中断概率随PBS密度增加单调递减，因为更高的干扰会恶化窃听者的SINR。
• 随着MBS天线数N的增加，宏小区和微微小区用户的遍历速率均提高，证实了大规模阵列的优势。
• 理论保密中断概率曲线与蒙特卡洛仿真结果高度吻合，验证了所推导上界的准确性。
• 保密中断概率随PBS密度呈现非单调特性，凸显了HetNet部署中一个关键的设计权衡。