5 g的保密能力新的无线网络

文摘

第五代无线系统的新的无线电技术已经被广泛地研究过了世界各地。具体来说,5 g无线接入网络的空中接口协议将由3 gpp标准在未来几年。在下一代5 g的新收音机(NR)网络、毫米波(mmWave)通信必将发挥重要作用,随着新NR空气接口(AI)是100 GHz mmWave一样。mmWave系统的快速增长带来了各种各样的挑战在物理层(体育)安全。探讨这些挑战在几个5 g的背景下新的无线通信技术,包括多输入多输出(MIMO)和非正交多重存取(诺玛)。特别是,我们引入一个基于射线跟踪(RT) 5 g NR网络通道模型,揭示mmWave乐队的保密能力广泛依赖于丰富的无线电频率(RF)通过数值实验环境。

1。介绍

蜂窝移动网络已经安排了数年。在过去,这种网络主要是为了促进特定的服务,而其他的服务总是支持副产品(例如,互联网浏览和物联网部署)。然而,许多应用程序都迫切需要在未来的几十年里,仅举几例,无人驾驶汽车和智能交通系统。为了使这些新兴应用为人们的生活提供更多的便利,发展的一个重大转变是必要的第五代(5 g)移动网络(1]。

而不是简单地增加数据速率来提高传输效率,国际电信联盟无线电通信标准化部门(ITU-R)宣布的多个设计目标5 g移动网络(2),包括强大的安全、超高可靠性、超低延迟,极端的数据速率,和极端的能力。为了实现这些设计目标,第三代合作伙伴计划(3 gpp)发起了一项规范2016年工作计划,这是5克NR的开始。

由于大量的先进技术的成功开发在当前一代3 gpp标准(3),5 g系统预计将包括5克,包括4 g LTE和新NR AIs在载波频率低于1 GHz 100 GHz(例如,mmWave) [4]。满足具有挑战性的服务要求和相关的关键绩效指标(kpi),需要一个高度灵活的5 g AI设计;因此,我们正在推动技术创新动员mmWave。

MmWave通信将发挥关键作用在下一代5 g新的无线网络。MmWave通常对应于乐队之间的光谱频率30兆赫和300 GHz,波长从1到10毫米。与传统的增速低于GHz频段,mmWave乐队有足够可用的块,遭受额外的高路径损耗虽然[5]。此外,mmWave还有其他的优点,包括有限的注液电池干扰、低传输延迟,提高安全性。因此,它已经被一些商业标准,例如,IEEE 802.11广告。

MmWave被学术界深入调查,标准组织、监督委员会,和行业。很多研究人员说,5 g新的无线电通信的关键推动者,mmWave基础设施提出了新的安全挑战,尤其是在体育。从研究体育安全引起了巨大的关注,因为怀纳提出了一种新的信道名叫1975年窃听信道。窃听信道制定体育模式,发射机(爱丽丝)与一个合法通信接收机(Bob)威胁的偷听者(夜)6]。怀纳,窃听信道的开发人员,合理的,一个完美的安全通信可以实现在一个非零速度,称为保密,如果鲍勃的通道条件超过前夕的7]。

体育安全的先前的研究通常集中在大规模分布式天线。文中介绍了实现最好的能源效率(EE)和频谱效率之间的权衡(SE) [8]。减少电路功率有助于改善EE低硒地区,同时引入更多高硒地区的EE天线的好处。使用给定的天线,收发器的最优数量最大化每个SE值。当考虑到安全,MIMO优化成为一个更复杂的问题,认为三个指标,EE, SE,保密能力9]。

MmWave技术是一种新兴的技术,提供multi-Gbps电子设备在短距离无线连接。和较低的频率相比,mmWave使射频环境太复杂处理保密能力使用MIMO信道矩阵[10]。例如,在市区,一个通道可以很容易有成百上千的光线,使得计算信道矩阵太大。为了克服这一挑战,研究人员应用RT模型来解决mmWave传播问题。当前传播建模工具的调查表明,RT的骨干许多这样的工具,因为它更少依赖于计算机内存和解决三维问题的能力在现代桌面计算机(11]。当RT而言,确定射线类型从点源场点在城市不是一个简单的任务,但自1990年代以来的一个研究热点12]。例如,在[13),特定场域模型基于双线模型开发的接收功率实时预测电波传播通过城市街道峡谷。这些模型被用来预测小面积平均接收功率无线电通信在城市环境。RT方法,另一方面,基于高频政权解麦克斯韦方程射线光学(14]。RT方法是一个通用的传播建模工具,它提供了路径损耗,估计到达/离开角,和延迟15]。

射线的概念变得有效mmWave通信;因此我们可以使用几种机制制定mmWave传播。想象许多点光源发出的光线。考虑一个射线和根据这条射线的行为我们可以执行安全分析深刻16]。

研究的保密能力mmWave系统,我们依靠合法接收机的相关矩阵来反映相关性的射线和偷听者的射线。此外,RF环境决定相关矩阵的元素。在我们提出了5 g新的无线网络体系结构,我们已经考虑了两种传播环境,分别与射频和贫富射频。富裕射频的设置,如城市、建筑的分布非常密集;因此,窃听者将获得更多的路径和有更多的相关性。在贫穷的射频设置,如农村、建筑物的分布是稀疏的;因此,窃听者将获得更少的路径和更少的相互关系。

剩下的纸是组织如下。我们首先介绍不同mmWave传播机制和5 g mmWave窃听信道的部分2。然后我们分析5 g的保密能力新的无线电通信系统在不同的射频环境部分3。部分4提出了各种仿真设置和证明我们有派生的系统安全性能。最后,部分5总结了纸。

2。文中对mmWave安全通道模型

射线跟踪通道模型制定mmWave系统是一种有效的方法。特别是,射线的生成是基于以下四个现象。

直接射线。这束光也被称为视线(LoS),在一线直接从源到目的地。

反映和传播射线。反射(透射)射线对应的反射(透射)mmWave在不同媒介之间的接口17]。

绕射射线。在这种情况下,一个入射光可以产生许多绕射射线。一个典型的例子是衍射的楔形结果连续锥的射线。

散射。一般的物理过程,一些形式的mmWave辐射被迫偏离直线轨迹通过一个或多个路径由于局部不均匀性的媒介他们通过18]。

mmWave足够短的波长来模拟光的传播特性。结果,这一现象的反射、衍射和散射经常在同一时间在5克新的无线网络。如图1,城市比农村更复杂的射频环境和场所,更多的传播路径。

5 g新的无线电网络的趋势研究,射线跟踪模型最近用于推导mmWave路径损耗和执行多维信道特性。更高的工作频率使射线光学近似那么激烈,允许前所未有的准确性。当设计5 g的无线接口新的无线电通信系统,射线跟踪模型通常结合测量。

射线跟踪被认为是最好的模型来帮助设计未来的短程mmWave无线系统。射线追踪的最关键部分是预测射线从源到目的地。最简单的例子是自由空间,只有一个射线穿过一条直线从源到目的地。是一个城市环境更复杂的场景中,有可能存在多种射线从源位置一个接受点,每个雷接受不同数量的反射,衍射或散射。

发射机和接收机在每个链接,会有几个影响射线有不同的出发和到达角(19),路径损耗只是计算路径损耗和阶段的所有有效的射线。

方向的到来th子路径的th集群建设()给出 在哪里是视距(LoS)之间的角度构建和废话,AoA的主要路径,的偏移角吗子路径。

离开的方向BS ()给出 在哪里是《BS和建筑之间的角度,离去角(AoD)的主要路径,然后呢的偏移角吗子路径。

路径损耗拟合方法和阴影衰落。为了更好地理解具体的路径损耗,我们使用两种拟合模型基于数据测量(19]:一个叫做“漂浮拦截模式”是表示如下: 在哪里是拦截和路径损耗指数和科幻小说是对数正态阴影。一般来说,浮动拦截和路径损耗指数由最小二乘法提取适合的测量数据。 在哪里和发射机和接收机指数。这个模型是很难给物理意义,但它能提供最低科幻现有测量数据的标准偏差。这种模式的缺点是,距离扩展超出了测量范围是有限的,需要大量的样本。阴影衰落(SF)是测量标准偏差的路径损耗和估计的路径损耗。 在哪里发射机和接收机链接数量。

另一个是close-in-reference方法如下: 在哪里在参考距离路径损耗吗和路径损耗指数。有效的发射机的距离应大于远场天线。

表面光滑的反射波与入射波相干和计算反射系数的方法。如果表面变得稍微粗糙,这个镜面组件由于向各个方向散射衰减。这种效果是由于减少的因素。 在哪里是波数,表面高度的标准差,是迎角。因此,镜面反射功率可以表示如下: 在哪里发射功率,是发射机和反射点之间的路径长度,是反射点和接收器之间的路径长度,菲涅耳反射系数,和发射机/接收机的天线增益。

我们可以假设一个合理的命令。通常的砖墙的长度是几厘米的顺序和分散权力是分散在各个方向 ,与表示飞机之间的角度入射和散射,可以计算的 在哪里发射机和表面之间的路径长度吗 , 表面之间的路径长度吗和接收机,单位面积上的散射截面的粗糙表面,可使用基尔霍夫近似估计。

研究mmWave物理层安全,大多数研究人员认为射线跟踪模型是一个很好的候选人,协助。由于其固有的能力来模拟多路径传播,射线跟踪模型可以提供一个多维表征各种射频无线电传播环境。图2演示了一个5 g新的无线电通讯窃听信道模型,在信号通过合法渠道到达接收器(Bob)和非法的渠道达成偷听者(夜)。 , , , ,和是合法的接收机通道,偷听者通道、噪音、合法的接收机噪声,分别和偷听者噪声。

在典型的窃听信道模型中,偷听者是合法的接收者,附近是一个常见的情况在低频率。在5克新无线网络,然而,偷听者可以远离合法接收者所示图的底部2。在这种情况下,光线穿过建筑,进行散射,衍射,和反思,最后到达“夏娃”和“鲍勃”。

一个更复杂的场景中包含一个合法的接收者和多个窃听者。从图我们可以看出2有一组“夏娃”,它丰富的射频环境展示了这样的一个例子。它将成长为一个巨大的威胁,如果多个窃听者可以合作窃取的合法信息。

3所示。保密能力分析mmWave射频环境

3.1。以前的作品

此前,窃听信道模型的研究是基于传统的系统模型,与大规模的天线阵列。大空间自由提供的大型天线阵列可以用来提高保密性能(20.]。在物理层安全,为了隐藏自己的存在,窃听者(伊夫斯)通常被认为是被动的,所以他们的信道状态信息(CSI)是未知的发射机(爱丽丝)和合法的接收者(Bob)。因此,它有利于混淆的偷听者产生人工噪声(一)使用multiantenna技术(21]。具体地说,为了掩盖信息传播给鲍勃,辐射各向同性的。如果Alice和Bob之间完美的CSI可用于爱丽丝,那么一个可以看不见鲍勃同时减少潜在的窃听者的解码性能(22]。

为了更好地理解传统的窃听信道模型,引进一些公式(23]。假设接入点配备天线的下行大规模的MIMO系统服务单天线用户, , 。可以制定的信道模型 在哪里 代表了信道矩阵和 是大规模传播矩阵。

在通道的相互耦合模型中, 表示快衰落矩阵和向量 ( )由以下描述24]: 在哪里是指导矩阵和表示高斯随机因素。 天线相互耦合常数矩阵相关配置的形式 在哪里

复杂的价值 , ,和表示负载阻抗,天线阻抗,分别和共同阻抗。

然而,许多自然和人为因素使传播非常随机的时间和空间;微波、光学、声波是很好的例子;他们将由大气湍流分散、雨、雾、植被、雪、生物媒体,和复合材料(25]。这些波动可能影响通信、识别和遥感的对象通过这些媒体在某种程度上。

因此,反射的现象、衍射和散射通常在同一时间在5 g新的无线网络。由于传播环境的复杂性,这绝对是窃听者更容易抓住传播路径。从而在5克的新无线网络,研究基于信道矩阵将是不准确的,但是ray-based研究将导致更准备的结论和结果。

3.2。相关矩阵的概念

在我们的分析中,能力是指合法的接收者接收到的传输路径不考虑窃听者,和收到的保密能力指的是路径窃听者的考虑。和这些路径受到合法的接收者和窃听者都可以被称为“共享路径”,这是安全能力的减少的主要原因。我们定义信道矩阵生成的共享路径的相关矩阵。

我们可以假设一个矩形天线阵的情况(23];的th用户不同方位角的到来(aoa)和海拔的到来(地址结束)。的th (AoA)和方位的到来海拔的到来(地址结束)用户编写和 ,分别。然后列转向向量 是所描述的 在哪里克罗内克积矩阵和吗代表向量化矩阵函数。

如图3,发射机传输天线在此系统中,接收机接收天线, 。我们假设合法的接收者,窃听者, 。 在哪里代表系统的信道矩阵, 是th合法的接收者 是偷听者。 除此之外, 代表了通道的向量th射线的th合法的接收者 代表了通道的向量th射线的偷听者。

我们可以定义如下: , ,和 表示一组合法的接收机信道矩阵,一组窃听信道矩阵,分别和一组关联矩阵。新的合法的接收机信道向量的集合和新偷听者信道向量如下:

相关矩阵 在哪里 与 的相关向量th共享路径, 快衰落矩阵, 是大规模传播矩阵。

向量的相关性 在哪里 包含转向与不同的aoa的向量th用户和表示高斯随机因素。

当假设矩形天线阵在BS,指导矩阵可以写成 在哪里是th AoA的用户和转向向量给药 和是th地址结束的用户和转向向量给药 在哪里相邻天线和之间的距离吗是载波波长。

新的信道矩阵 在哪里 , , 代表的新信道矢量合法的接收者,向量的相关性th共享路径和新通道的向量偷听者。

3.3。投影矩阵

我们系统中实现零空间方法。为了消除窃听者的窃听信号,我们提出一个投影矩阵,我们可以解释的过程获取投影矩阵 ,映射和预编码,如图4。

联合窃听信道矩阵 。计算通过奇异值分解)26),投影矩阵来源于以下方程: 在哪里 , , 是计算系数矩阵。 是一个列向量空间的子空间的 。乘以预编码,预编码矩阵如图4。

3.4。G新的无线网络信号传输过程

图5说明了窃听信号取消了整个系统的完整视图,相当于系统方程的公式。操作后,窃听信号可以被淘汰被窃取和共享的传播路径,以确保安全。

接收信号后由投影矩阵进行处理和预编码矩阵 ,我们可以得到预期的结果,显示接收信号的传输信号和表示高斯白噪声。

根据上面的调查窃听信道模型中,很容易注意到相关矩阵有很多与保密能力。然而,有时相关矩阵可以很大程度上受到射频环境的影响。例如,在一个丰富的射频环境,如市区,建筑物的分布更为复杂;因此,窃听者更有可能获得更多的路径,并且将会有更多的相关性。射频环境,然而,在一个贫穷的农村地区,建筑物的分布是单调;因此,窃听者将不太可能获得路径,并且将会有更少的相关性。

3.5。5 g的不同的射频环境新的无线网络

如图6,信号通过合法渠道到达接收器和非法渠道达成偷听者,和这些相关的射线所收到的都可以称为“相关矩阵。“我们模拟城市区域;有大规模的窃听者和更多的楼房,这些窃听者可以称为“分布式部署。“这里的建筑越多,越射线可以收到,不仅对合法的接收者,而且对窃听者。因此,这些窃听者可以形成一个集群,每个终端都有几个路径的合法的接收器,和更多的路径,路径可以配合解码的信息。

图7模拟了农村地区;只有两个普通房子,仍然很多窃听者。因为建筑的分布不是很复杂,因此只有两个窃听者可以接收的路径,这里将会有更少的相关矩阵。

结果,我们可以得到的结论提出了5 g新的无线网络体系结构。在城市地区,建筑物的分布更为复杂,那么合法的接收器将收到更多的路径,和接收器的能力将变得更大。同时,捕捉窃听者的共享路径的概率将增加,增长也反映在相关矩阵,这将导致减少市区的保密能力。然而,在农村地区,建筑物的分布是单调的,合法的接收者会得到更少的路径,通常接收器的能力将会变得更小。窃听者,他们有更少的机会共享路径和相关矩阵的元素将相应减少。

4所示。仿真结果

mmWave可以为电子设备提供multi-Gbps无线连接,它已逐渐成为一个新兴的技术。然而,mmWave使射频环境太复杂处理保密能力。因此,使用传统的基于mmWave大规模MIMO信道矩阵不再可行。基于相关矩阵的研究,文中算法是一种通用的传播建模工具可以提供估计的路径损耗,到达/离开角度和时间延迟。因此,ray-based研究将导致更多准备的结果。

至于复杂性的理论分析能力和结果的非闭解,模拟是用来描述我们提出的方法的可行性。

我们评估的性能提出了基于射线跟踪5 g新的无线电通信通道模型分别使用MATLAB仿真。仿真参数如表所示1。

4.1。分析每个城市的能力

在图8,窃听者的数量的影响在每个城市的调查能力。可以看出安全能力逐渐下降,和窃听能力逐渐增加的窃听者的数量上升。作为合法的接收者接收到的传输路径是一定的,能力是不可变的。

的情况下,合法接收者城区的总数是固定的80岁的人物9显示每个能力的趋势与窃听者之间的距离的变化和合法的接收者。随着距离更远,窃听者捕获共享路径的概率会降低,当距离足够远,没有传播路径可以收到,这反映出零窃听能力图。相比之下,保密能力会相对增加,最终将等于能力。

4.2。分析每个农村的能力

图10说明了能力在农村地区的趋势。建筑的分布是单调,少传播路径可以收到;因此,趋势图10不太明显,但是,窃听者的数量的增加,保密能力和监控能力也表现出稳定的变化。

对比图8,因为农村的复杂性是低于城市地区,农村的共享路径低于城市地区,这意味着农村保密能力不下降的城区。

可以看到从图11,距离值使保密能力和监控能力往往是常数较小。作为建筑的分布并不复杂的农村地区,因此,当距离达到一个临界值,听者没有传输路径可以收到的,零窃听能力如图。

对比图9农村地区的复杂性是低于市区,窃听者捕捉共享路径的概率更小。因此,增加相同距离的条件下,农村的窃听能力下降更快。另一方面,农村的保密能力增加更快,当初始值是20米,农村地区有一定的保密能力,而市区的保密能力几乎为零。

5。结论

这项工作发展一个基于射线跟踪安全通道模型5 g新的无线电通讯。特别是,我们依靠相关矩阵的概念来反映射线合法的接收者和窃听者之间的相关性。射频环境决定相关矩阵的元素,我们研究两种丰富的射频环境,如城市地区,穷人和射频环境,如农村地区在我们的建议的体系结构,如果射频环境更为复杂,窃听者更容易获得相关路径。我们的模拟结果表明,在市区保密能力降低的速度,远比在农村地区的发展合作窃听者。此外,偷听者和合法接收机之间的距离增加,城市和农村的保密能力将增加,但增长率在城市面积小于在农村地区。此外,当距离达到一定值时,保密能力和城市和农村地区的总容量是一致的,和能力的总和等于保密能力和监控能力。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由中国国家重点研发项目支持下2017 yfb0802300格兰特。

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