无线缓存蜂窝网络中的物理层安全传输技术研究

Wireless content caching is an important approach to reduce backhaul load and improve resource efficiency for wireless networks. However, the openness of wireless physical-layer media and the broadcast nature of the electromagnetic signal propagation bring a great challenge to the information secrecy transmission in a wireless caching network. Using cryptographic encryption alone will not only cause a large amount of additional overhead thus degrading the efficiency in both content storage and delivery, but also fail to meet diverse secrecy requirements inherent to different contents. To this end, this project proposes an idea that aims to achieve secrecy transmissions by jointly exploiting the physical-layer secure transmission and the content-caching protocol control, and studies the theoretical approaches of secrecy communications in wireless caching cellular networks, specifically including: 1) the scheme that jointly designs the secrecy encoding rates and the power allocation in multi-antenna secrecy signals based on content caching statuses; 2) the secure caching strategy that gives consideration to both content secrecy levels and popularities as well as the design of caching base station deployment density; 3) the secure cooperation strategy that exploits device-to-device communications and caching user cooperation as well as the design of cooperation parameters. In addition to theoretical research, this project will also evaluate the proposed theoretical approaches based on existing hardware experimental platforms. This project is of great significance in both theory and practice to further promote the pace of physical layer security toward really practical applications.

无线内容缓存是无线网络中降低回程链路负载、提高资源利用效率的重要手段。然而，无线物理层媒质的开放性和电磁信号传播的广播特性给无线缓存网络中的信息保密传输带来了严峻的挑战，单纯采用密码学加密的方式不但会造成大量额外的开销，导致内容存储和传输效率降低，而且无法满足不同内容的差异化保密需求。为此，本项目提出联合物理层安全传输和内容缓存协议控制实现保密传输的思路，围绕无线缓存蜂窝网络中的保密通信理论方法展开研究，具体包括：1）研究基于内容缓存状态的保密编码速率和多天线保密信号功率分配联合设计；2）研究兼顾内容保密等级和流行程度的安全缓存策略和缓存基站部署密度设计；3）研究基于终端直通和缓存用户协作的安全协作策略和协作参数设计。在理论研究的同时，本项目拟使用已有的硬件实验平台对所提出的理论方法进行实测验证和性能评估。本项目的研究成果对于进一步推进物理层安全走向真正实用的步伐具有重要的理论和实际意义。

项目以缓存使能蜂窝网络中的信息安全问题为考察对象，重点围绕缓存内容无线交付过程易遭受随机分布窃听方攻击的问题开展针对性的研究工作。为了兼顾缓存内容传输的安全性和命中率，提出了内容缓存分配控制和物理层安全传输相结合对抗随机分布窃听方的新思路，从系统建模、信号设计、参数优化和性能分析等方面入手，研究了无线缓存蜂窝网络中的网络安全性能分析以及物理层传输和缓存分配参数的优化设计理论方法。圆满地完成了预定的研究任务，取得的成果总结为以下五个方面：1）针对传统缓存机制仅考虑内容流行程度而忽略内容本身保密属性的现象，提出了随机蜂窝网络中兼顾内容保密等级和流行程度的安全缓存策略，研究了在满足文件保密需求前提下最大化缓存命中概率的缓存分配方案设计理论方法；2）针对传统缓存机制在存储最流行内容和实现最大化内容分集两个目标背离的现象，提出了基于最流行内容和最大化内容分集混合缓存机制，研究了基于基站协作面向安全内容传输概率最大化的混合缓存分配和保密编码速率联合设计理论方法；3）针对传统缓存机制在提升网络安全传输的吞吐量和能效方面考虑不足的现象，提出了面向网络安全吞吐量和安全能效最优的混合缓存机制，研究了缓存分配和协作安全传输的联合设计理论方法；4）针对大量用户频繁请求文件加重基站负荷和耗能的现象，提出了基于终端直通技术的文件缓存和传输方式，研究了联合内容传输和干扰阻塞的终端直通缓存用户安全协作传输理论方法；5）针对在多层网络部署相同缓存资源导致资源利用率低的现象，提出了适用于异构蜂窝网络中的宏微基站混合缓存机制和安全协作策略，研究了基站间缓存资源分配和基于人工噪声的毫米波安全协作传输联合设计理论方法。