5G大规模MIMO在非理想系统约束下保密传输技术研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61771431
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    66.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0105.移动通信
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2021-12-31

项目摘要

The fifth generation cellular communication technology (5G) is going to introduce disruptive changes in the cellular architecture, and in the newly introduced application scenarios and services. As a consequence, security strategies for mobile networking must be substantially redesigned, which is very challenging task. It is noted that standardization organizations such as the IMT-2020(5G) in China and the METIS in Europe have not specified design principles for 5G security in their proposed architectures. Massive multiple-input-multiple-output (MIMO) technology, also known as large-scale MIMO, is one of the most important base station (BS) technological breakthroughs for 5G air interface. This technology is critical to the realization of service-specific security and edge-network security in 5G through physical layer (PHY) security. However, due to cost considerations, commercial massive MIMO BS equipments will introduce to the system non-ideal constraints such as hardware impairments and limited number of RF chains. There are still many open problems about the impact of those non-ideal constraints on PHY security of massive MIMO. This project will be based on modeling of the non-ideal system constraints in practical commercial massive MIMO systems, and use secrecy capacity as the fundamental analytical tool in studying massive MIMO secure transmission in the presence of non-ideal system constraints. In particular, the use of artificial noise (AN) and joint information-AN precoding for improved secrecy performance is considered as the security enhancement scheme for massive MIMO by exploiting its excessive redundant spatial degrees of freedom. Three non-ideal system constraints in massive MIMO, namely transceiver hardware impairments, per-antenna constant envelope non-linear precoding that is insensitive to hardware imperfections, hybrid precoding for limited RF chains constraints are investigated, and AN-aided secure transmission of massive MIMO under these constraints studied. The project is of significance to both theoretical studies and practical system design of 5G, especially in this year when the standardization process of 5G security specifications has been officially launched by ITU-T.
第五代移动通信技术(5G)在网络架构、应用场景和业务类型等方面引入的颠覆性变化,为移动网络安全设计带来巨大挑战,国内外标准化组织对5G架构的描述,都尚未明确其安全设计路线。大规模MIMO技术作为5G宏基站空口技术的核心,是应用物理层安全方法实现5G业务定制安全和边缘网络安全的有效手段。然而,商用大规模MIMO系统由于成本制约将存在硬件缺陷、有限射频链路数等非理想系统约束,其对物理层保密传输的影响尚有诸多开放性问题有待研究。项目以非理想系统约束建模为研究立足点,以系统保密容量推导为基本研究手段,提出非理想约束下大规模MIMO保密传输的理论分析与设计架构。具体研究收发信机硬件缺陷、对硬件精度不敏感的预编码、降低射频链路数等约束模型,结合利用大规模MIMO冗余空间自由度注入人工噪声、抬升窃听接收底噪的保密传输策略,研究保密传输性能与系统设计,从物理层安全角度对5G大规模MIMO基站设计提供指导。

结项摘要

大规模MIMO技术,是5G移动通信及其演进中宏基站空口物理层的核心,是应用物理层安全方法实现业务定制安全和边缘网络安全的有效手段。商用大规模MIMO系统由于成本制约而存在硬件缺陷、有限射频通道数、非线性预编码等非理想系统约束,其对传输性能特别是物理层安全传输的影响尚有待深入研究。项目以非理想系统约束建模为研究立足点,以系统保密容量分析推导为基本研究手段,提出非理想约束下大规模MIMO保密传输的理论分析与设计架构,主要在以下三个方面取得了创新性的研究结果。.1. 针对I/Q通道不平衡和低精度DAC两种硬件缺陷对大规模MIMO预编码的影响进行建模,在不同场景下研究其对预编码方案和保密传输性能的影响。通过研究发现接收机端存在I/Q通道不平衡对系统性能的影响远大于发射机端,而低精度DAC的使用在信道空间相关性高的情况下,有利于提高基于固定功率人工噪声注入的安全传输预编码性能。.2. 研究了对硬件精度不敏感的每天线恒包络(PACE)非线性预编码方案。针对文献中对PACE预编码解读的不准确性和传统实现算法复杂度高的问题,从理论上提出了PACE预编码“信号偏离度”和“中断性”的性能分析思想;基于该问题与MPSK多用户信号检测的相似性,提出了基于SDR松弛和高斯随机化平均的低复杂度优化预编码算法,并发现了该方法在智能反射面(RIS)相控阵控制中的应用前景。.3. 毫米波射频器件昂贵使得毫米波大规模MIMO须采用射频通道数远小于天线数的射频结构和模拟/数字混合处理架构,项目聚焦毫米波大规模MIMO混合架构下的保密预编码设计问题,结合信能同传研究高能效且具有保密传输性能保障的混合预编码方案,通过将原非凸问题分解为两层优化问题,提出了基于序贯参数凸逼近的低计算复杂度高鲁棒性预编码算法,并基于最小化混合预编码与全数字预编码欧氏距离的思想提出了求解模拟预编码的相位匹配算法。

项目成果

期刊论文数量(14)
专著数量(0)
科研奖励数量(3)
会议论文数量(15)
专利数量(8)
Distributed Energy Efficiency Optimization for Multi-User Cognitive Radio Networks Over MIMO Interference Channels: A Non-Cooperative Game Approach
MIMO 干扰信道上多用户认知无线电网络的分布式能效优化:一种非合作博弈方法
  • DOI:
    10.1109/access.2020.2970914
  • 发表时间:
    2020-01-01
  • 期刊:
    IEEE ACCESS
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Wang, Ning;Han, Shujun;Xu, Wei
  • 通讯作者:
    Xu, Wei
AN-Aided Transmit Beamforming Design for Secured Cognitive Radio Networks with SWIPT
采用 SWIPT 的安全认知无线电网络的 AN 辅助发射波束成形设计
  • DOI:
    10.1155/2018/6956313
  • 发表时间:
    2018-08
  • 期刊:
    WIRELESS COMMUNICATIONS & MOBILE COMPUTING
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Ge Weili;Zhu Zhengyu;Wang Zhongyong;Zhengdao Yuan
  • 通讯作者:
    Zhengdao Yuan
Secure Communication for Spatially Correlated Massive MIMO With Low-Resolution DACs
使用低分辨率 DAC 实现空间相关大规模 MIMO 的安全通信
  • DOI:
    10.1109/lwc.2021.3094204
  • 发表时间:
    2021-10
  • 期刊:
    IEEE Wireless Communications Letters
  • 影响因子:
    6.3
  • 作者:
    Dan Yang;Jindan Xu;Wei Xu;Ning Wang;Bin Sheng;A. Lee Swindlehurst
  • 通讯作者:
    A. Lee Swindlehurst
A UAV-Enabled Data Dissemination Protocol With Proactive Caching and File Sharing in V2X Networks
V2X 网络中具有主动缓存和文件共享功能的无人机数据传播协议
  • DOI:
    10.1109/tcomm.2021.3064569
  • 发表时间:
    2021-03
  • 期刊:
    IEEE Transactions on Communications
  • 影响因子:
    8.3
  • 作者:
    Rongqing Zhang;Rui Lu;Xiang Cheng;Ning Wang;Liuqing Yang
  • 通讯作者:
    Liuqing Yang
Edge Caching in Multi-UAV-Enabled Radio Access Networks: 3D Modeling and Spectral Efficiency Optimization
支持多无人机的无线电接入网络中的边缘缓存:3D 建模和频谱效率优化
  • DOI:
    10.1109/tsipn.2020.2986360
  • 发表时间:
    2020-04
  • 期刊:
    IEEE Transactions on Signal and Information Processing over Networks
  • 影响因子:
    3.2
  • 作者:
    Fasheng Zhou;Ning Wang;Lisheng Fan;Gaoyong Luo;Wei Chen
  • 通讯作者:
    Wei Chen

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  • 作者:
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    --
  • 发表时间:
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  • 期刊:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    钟娟
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  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
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  • 作者:
    徐仁扣;黎星辉;王辉;王宁
  • 通讯作者:
    王宁
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  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2021
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  • 影响因子:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    黄玉纯
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    金帆

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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