安全大规模 MIMO 系统中数据与人工噪声的线性预编码

在本文中，我们考虑了多小区大规模多输入多输出（MIMO）系统中的安全下行传输，其中基站（BS）天线、移动终端和窃听者天线的数量均渐近大。假设 BS 处无法获知窃听者的信道状态信息，因此采用数据和人工噪声（AN）的线性预编码来增强保密性。我们研究了四种不同的数据预编码器（即自私迫零（ZF）/正则化信道求逆（RCI）以及协作 ZF/RCI 预编码器）和三种不同的 AN 预编码器（即随机、自私/协作零空间基于预编码器），并分析了相应的可达遍历保密速率。我们的分析包括了上行信道估计、导频污染、多小区干扰和路径损耗的影响。此外，为了在复杂度和性能之间取得平衡，提出了基于矩阵多项式的线性预编码器用于数据和 AN 预编码。利用自由概率和随机矩阵理论工具，分别优化数据和 AN 预编码器的多项式系数，以最小化感兴趣小区内移动终端的和均方误差以及 AN 泄漏。我们的分析和仿真结果为安全多小区大规模 MIMO 系统的设计提供了有趣的见解，并表明所提出的多项式数据和 AN 预编码器分别接近自私 RCI 数据和基于零空间的 AN 预编码器的性能。