5G多天線系統中毫米波物理層安全設計

孟慶民,龔家樂，曾桂根，劉傳順

(1．南京郵電大學 信號處理與傳輸研究院，江蘇 南京 210003；2．南京郵電大學 無線傳感器與寬帶無線通信教育部重點實驗室，江蘇 南京 210003)

5G多天線系統中毫米波物理層安全設計

孟慶民1,2,龔家樂1,2，曾桂根1,2，劉傳順1,2

(1．南京郵電大學 信號處理與傳輸研究院，江蘇 南京 210003；2．南京郵電大學 無線傳感器與寬帶無線通信教育部重點實驗室，江蘇 南京 210003)

三維MIMO(3D Multiple Input Multiple Output,3D MIMO)技術是一種提高第5代(The Fifth Generation,5G)無線網絡覆蓋和頻譜效率的潛在技術。三維信道空間模型(Three-Dimensional SCM,3D SCM)作為3D MIMO技術的一部分，它在2D SCM的基礎上增加了垂直維自由度。在考慮毫米波段傳輸方案基礎上，文中重點探討了3D SCM對物理層安全設計的影響。首先簡述了2D SCM和3D SCM模型，接著基于毫米波段路徑損耗模型，主要研究3D SCM如何影響毫米波段的安全容量。文中采用1.9 GHz頻段和28 GHz及73 GHz兩個毫米波頻段，引入相應的路徑損耗模型，最后在不同載波頻率以及基站下傾角下采用計算機仿真評估了毫米波通信的信道安全容量。結果表明，相對于傳統2D SCM模型，3D SCM在28 GHz和73 GHz頻段上的安全容量有一定程度的提升。與此同時，適當地調整基站天線陣列的下傾角也利于優化期望用戶的安全容量。

MIMO；安全容量；三維信道空間模型；mmWave；5G；信道建模

0 引 言

到2020年，無線數據傳輸的需求預計比現在高1 000倍[1-2]。面對激增的無線傳輸需求，提高已有頻段的頻譜效率是提高信道容量的一種有效方式。3D MIMO (Three-Dimensional Multiple Input Multiple Output)技術能夠通過調整天線陣列的垂直維傾斜角來抑制小區間的干擾，從而有助于提升小區邊緣的用戶吞吐量性能。3D SCM作為3D MIMO技術的一部分，在2D SCM模型的基礎上做了進一步的擴展，它同時考慮了水平和垂直維度的功率譜。近年來3D SCM引起了研究者們越來越多的關注。Nam Y H等研究了一種基于3D SCM的大規模MIMO技術[3]。Mondal等提出了一種新的3D信道模型，能夠對不同高度的用戶建模[4]。

使用更高的頻段是解決無線傳輸需求的第二種方式。作為未來5G基礎設施研究的一個方面，頻譜范圍的研究包括如下多個頻段：<6 GHz，38～40 GHz，57～64 GHz,70～75 GHz和81～89 GHz,等等。現有的LTE網絡和WLAN網絡都基于UHF(300 MHz～3 GHz)頻段。雖然這些頻段暫時能夠滿足傳輸需求，但預計到2020年新的可用頻譜將必不可少[5]。面對5G的挑戰，為了將現有的網絡容量能擴充1 000倍，運營商可能會采用毫米波段的頻譜，以充分利用其頻譜帶寬的優勢。近年來，關于毫米波信道建模的相關研究工作正在逐步展開[6-9]。

與信道容量同樣重要的是通信的安全性，竊聽和惡意攻擊是無線傳輸的兩個問題[10-11]。Barros等給出了一種安全容量的定義(期望用戶的互信息速率和非期望用戶的互信息速率的差)[12]，安全容量越大代表系統越安全。

文中首先簡述2D SCM和3D SCM信道模型，接著基于毫米波(Millimeter Wave，mmWave)路徑損耗模型，仿真評估2D SCM和3D SCM模型對mmWave通信的安全容量的影響，在Hata模型以及mmWave路徑損耗模型下比較了不同載波頻率對系統安全容量的影響。

1 MIMO空間信道模型簡述

1.1 2D SCM信道模型

3GPP/3GPP2的25996規范提出了一種只考慮水平維度的二維空間信道模型[13]。基站(下標用BS或s表示)與移動臺(下標用MS或u表示)之間的信道衰落系數為：

exp(j[kdssin(θn,m,AoD)+Φn,m])×

exp(jk‖v‖cos(θn,m,AoA-θv)t))

(1)

其中，M表示第n個路徑簇包含的子路徑數；du,ds分別表示用戶端和基站端陣元間隔；θn,m,AoD和θn,m,AoA代表路徑簇n中第m個子路徑在基站處的分離角和移動臺的到達角；θv表示移動臺的速度方向；σSF為陰影衰落標準差。

1.2 3D SCM信道模型

3D SCM在2D SCM的基礎上增加了垂直維度的功率譜，同時考慮了水平維度和垂直維度的功率譜，基站和移動臺之間的信道衰落系數為[3]：

(2)

2 毫米波段的物理層安全思想

2.1 一種提高5G物理層安全的思想

本節提出一種毫米波段的物理層安全設計思想。它集成了3D MIMO技術，同時利用基站下傾角調整來提高期望用戶的安全容量。

2.2 期望用戶安全容量定義及其計算

考慮一個半徑為100 m的小區。設基站的天線數為Nt，期望用戶和監聽用戶的天線數均為Nr。基站與期望用戶，基站和監聽用戶之間為LOS傳播。則用戶接收端的信號可以表示為：

(3)

為便于分析，只考慮單徑的無線環境。記期望用戶與基站間的路徑損耗為LD，記αD=LDP，用戶下行信道矩陣記為HBD，則期望用戶接收信號yd可表示：

(4)

用戶接收速率為：

(5)

對于監聽用戶，下行信道狀態矩陣設為HBE，基站與竊聽用戶間的路徑損耗為Le，記αe=LeP。

則竊聽用戶接收信號ye可表示為：

(6)

接收速率為：

(7)

安全容量的定義為期望用戶和監聽用戶之間的速率差[8]，由此可得期望用戶的安全容量為：

(8)

2.3 mmWave蜂窩系統信道建模

城市Hata模型是城市宏小區最常用的模型之一，其基本的路徑損耗可表示為[13]：

(9)

然而，Hata模型的適用范圍為150MHz～2GHz,對于頻率更高的毫米波可能不再適用。更高頻段，如10GHz以上的毫米波可能被用于5G通信。對于毫米波蜂窩系統的建模分析正在成為眾多研究者關注的熱點之一,Ghosh等創建了一個路徑損耗模型[14-16](參數見表1)。它考慮基站高度17m，移動臺高度2m。路徑損耗模型為：

(10)

表1 對路徑損耗指數和陰影衰落 標準偏差的最佳擬合

3 仿真結果和分析

本節對第2節中毫米波段的、基于3DSCM的物理層安全設計進行仿真評估。

3.1 載波頻率對安全容量的影響

仿真基于式(9)中COST 231 Hata模型以及式(10)中mmWave路徑損耗模型，但是未考慮信道中的陰影。將仿真不同載波頻率下的安全容量，系統仿真參數如表2所示。

不同頻率下期望用戶的安全容量變化如圖1(a)和(b)所示。

表2 系統仿真參數

圖1 1.9 GHz頻率附近安全容量對比

由于天線數的增加，期望用戶和監聽用戶的接收速率同時增大，所以期望用戶的安全容量基本保持不變。與此同時，圖1和圖2表明安全容量隨頻率的升高逐漸減小。而相對于同一頻率而言，3D SCM安全容量略高于2D SCM模型時的安全容量，1.9 GHz頻段約有3%左右的提高。而頻率更高的28 GHz約有5%的提升，73GHz約有10%的提升。

圖2 1.9 G、28 G和73 G頻段安全容量對比

3.2 基站下傾角對安全容量的影響

對于3D SCM而言，天線垂直維譜可用于提升信道容量。這里將評估期望用戶安全容量如何受基站垂直維的下傾角的影響。

本節模擬仿真基站下傾角在6～28°時，期望用戶安全容量的變化。在基站發送天線數Nt=4時，期望用戶與監聽用戶接收速率同時增大，這導致安全容量并未顯著變化。因此，此處僅僅給出Nt=2配置時的仿真結果。

仿真采用28GHz和73GHz兩頻段，如圖3與圖4所示。

圖3 28 GHz頻段基站下傾角對安全容量的影響

圖4 73 GHz頻段基站下傾角對安全容量的影響

載波為28GHz時，隨著基站下傾角增大，期望用戶的安全容量總體逐步上升到達峰值后逐漸減小，當下傾角取18°左右時，期望用戶的安全容量達到最大。當載波為73GHz時，期望用戶安全容量的變化與28GHz時類似。

4 結束語

10GHz以上的毫米波段通信是5G網絡的物理層研究的一個子方向。文中簡要分析了2DSCM與3DSCM模型，提出了一種毫米波段基于3DSCM的物理層安全設計思想，著重研究不同頻率以及不同基站下傾角對用戶安全容量的影響。仿真結果表明，相比2DSCM，3DSCM在28GHz和73GHz頻段的安全容量均有小幅提升，與此同時，適當調整基站天線陣列下傾角可以提高期望用戶的安全容量。

[1] 5G概念白皮書[EB/OL].2015.http://wenku.baidu.com/link?url=p-w08TdmlNoxyieuNWT5FrimQe6nMqwZdgwKOO2YJUsBIKK2vl7G38JfMomgwDAAPxdr58QVhOxqdLG-vTlA0ybF580jwZtKQfY7WYqRb9y.pdf.

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Design of Millimeter Wave Physical Layer Security in 5G Multi Antenna System

MENG Qing-min1,2,GONG Jia-le1,2,ZENG Gui-gen1,2,LIU Chuan-shun1,2

(1.Institute of Signal Processing and Transmission,Nanjing University of Posts & Telecommunications,Nanjing 210003,China;2.Key Lab of Broadband Wireless Communication and Sensor Network Technology of MOE,Nanjing University of Posts & Telecommunications，Nanjing 210003,China)

Three-dimensional Multiple Input Multiple Output (3D MIMO) is one of potential techniques to improve coverage and spectrum efficiency of 5G networks.Three-dimensional channel model (3D SCM),as an important part of 3D MIMO technology,has the additional vertical dimension of freedom compared with Two-dimensional channel model (2D SCM).The effect of 3D SCM to the physical layer security design is discussed in this paper where mmWave communications are considered.Firstly it outlines the 2D SCM and the 3D SCM model,and then by using the mmWave path loss models,analyzes the effect on security capacity of 5G mmWave communications systems based on 3D SCM.In this paper,the 1.9 GHz band and two millimeter wave frequency bands,28 GHz and 73 GHz,are used,and the two path loss models are introduced.Finally the secure capacity performance of the millimeter-wave communication scheme is evaluated by using computer simulations under the different carrier frequencies and different base station downtilts.The results show that compared with traditional 2D SCM,the security capacity of 3D SCM has a certain increase under the 28 GHz band and the 73 GHz band.Meanwhile,right adjustment of the base station antenna array tilt angle can also be benefit to optimize the security capacity of the desired user.Key words:MIMO;secure capacity;3D SCM;mmWave;5G;channel modeling

2015-05-17

2015-08-20

時間：2016-01-26

國家自然科學基金資助項目(61372122，61372123，61471202)作者簡介：孟慶民(1965-)，男，博士，副教授，研究方向為新一代寬帶無線通信中的全雙工MIMO和三維MIMO傳輸的理論與技術；龔家樂(1991-)，男，碩士，研究方向為三維MIMO建模和全雙工MIMO波束成型設計。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160126.1520.048.html

TP39

A

1673-629X(2016)02-0091-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.02.021