基于多域干扰管理的物理层安全理论与方法研究

Physical layer security (PLS), as an important means to ensure the security of wireless communications, has become a popular interdiscipline between information security and wireless communications. This project considers PLS in the dense wireless communication networks, designs novel multi-domain interference management scheme, attempts to utilize the interference which is traditionally harmful, converts the interference to performance gain of PLS, degrades eavesdropping by interference utilization to while maintains legitimate users’ communication by interference avoidance. Towards this goal, we utilize the characteristics of the channels in difference domains to implement interference management, realize interference avoidance for legitimate users and interference utilization for eavesdroppers, and assure the security of communications. The detailed research contents include: utilizing the time-domain characteristic by waveform design, utilizing the code-domain characteristic by code design, utilizing the spatial-domain characteristic by interference alignment, utilizing the modulation-domain characteristic by jamming signal design. This project exploits the properties of dense wireless networks, explores novel efficient and practical physical layer security theory and approaches for wireless communication networks and to provide theoretical foundation and experiment verification for the development, practical implementation, and standardization of physical layer security systems.

物理层安全作为保障无线通信安全的重要手段，已成为信息安全和无线通信两个领域的交叉热点。本项目借助稠密网络具有泛在干扰的特点，探索新颖的干扰管理方法，将传统意义上有害的干扰巧妙地加以利用，使之转化为安全性能增益，在实现干扰避让保障合法通信的同时，利用干扰破坏非法偷听，高效地实现稠密无线网络中的物理层安全。围绕这一目标，利用信道的多域特征进行的干扰管理，实现对合法用户的干扰避让和对偷听者的干扰利用，以保障无线通信安全。具体内容包括：1）通过波形设计来利用单天线信道的时域特征，2）通过码组设计来利用码分多址信道的码域特征，3）通过干扰对齐来利用多天线信道的空域特征，4）通过干扰优化来利用数字调制系统的调制域特征。本项目利用稠密无线网络自身的特性，探索高效且较实用的新型物理层安全理论与方法，为物理层安全系统的研究开发、实用化和标准制定提供理论依据、技术支撑和实验验证。

物理层安全作为一种新颖的保障无线通信安全，实现理论安全的新方法，已成为信息安全领域的研究热点。本课题借助稠密网络具有泛在干扰的特点，开发了新颖的多域干扰管理方法，将传统意义上有害的干扰巧妙地加以利用，使之转化为安全性能增益，在实现干扰避让保障合法通信的同时，利用干扰信号来最大程度地破坏非法偷听，高效地实现了稠密无线网络中的物理层安全。针对具有单天线节点的通信网络，完成了利用波形设计来实现物理层安全，并对干扰信号设计和资源分配进行联合优化，利用多链路自身产生的互干扰，更有效地实现了保密通信。针对码分多址系统，通过在码域上对二进制码组进行优化，合理利用用户的多址干扰，加强了通信链路的保密性。在空域物理层安全研究方向，建立了基于干扰对齐的空域物理层安全模型，给出了可行性分析，对发射端功率及预编码进行了面向安全的设计优化，达到对非法偷听者的干扰最大化的目的。最后研究了调制域物理层安全，提出了一种切实可行的符号级预编码技术实现调制域物理层安全，进一步利用多用户干扰来增强物理层安全通信。本项目实现了高效且实用的基于多域干扰管理的新型物理层安全方法，所提出的方法对于物理层安全领域的研究具有普适意义和推动作用，为物理层安全系统的研究开发、实用化和标准制定提供一定理论依据、算法实现和实验验证。在自然科学基金的资助下，课题组发表SCI期刊论文33篇，其中包括Communication Magazine，TIFS，TWC等IEEE期刊长文论文24篇；EI会议论文17篇，包括ICC，Globecom旗舰会议。授权专利一项，申请三项。参加国际学术会议25人次。