无线通信网络物理层安全研究的新思路

The booming development of the wireless communication brings great convennice to our daily life, but the broadcast nature of the wireless channel also brings serious security issues to us. Due to these emerging security issues, the wireless physical layer securiy is becoming a hot research field in recent years. Up to now the wireless physical layer securiy mainly focuses on the exploit of the physical layercharacteristics of the wireless channel such as fading and interference, for enhancing the security of the wireless sysytems. In this project, first, we introduce the finite state Markov channel model and the delayed channel state information (CSI) feedback into the wireless physical layer security, and present the model of finite state Markov wiretap channel with delayed feedback. Here note that the finite state Markov channel model is often used to characterize the time varying and fading communication systems. Then, we extend this new model to the broadcast and multiple-access network structure units. The overall goals of this project are as follows. The first one is to obtain the secrecy capacities and the secrecy capacity regions of these models, and reveal the relationships between these results and the delayed feedback time. The second one is to verify whether the delayed channel output feedback helps to enhance the security of these new models. The execution of this project will provide a new concept of wireless physical layer security.

无线通信的蓬勃发展为我们日常生活带来了巨大的便利，但是无线信道的广播特性也使我们面临着日趋严重的安全问题。这些安全问题使得无线网络物理层安全的研究成为了近年来的热门研究领域。目前，无线网络物理层安全的研究主要集中在利用无线信道的衰落和干扰特性来增强系统的安全性上。本项目将刻画时变衰落通信场景的有限状态马尔科夫信道模型和信道状态信息的延迟反馈特性引入无线网络物理层安全的研究中，提出了带延迟反馈的有限状态马尔科夫窃听信道模型，并将该模型扩展到无线网络中诸如广播信道以及多址接入信道等结构单元上。本项目总的研究目标首先是得到这一系列新模型的安全容量和安全容量区域并揭示它们与延迟反馈时间的关系，其次是验证信道输出的延迟反馈可否用来增强这一系列模型的安全性。本项目的开展将为无线网络物理层安全提供一种新的研究思路。

物理层安全是近年来无线通信的热门研究方向。本项目揭示了信道状态信息的反馈时延对无线通信系统安全容量的影响，并提出了一系列能提升系统安全容量的最优反馈编码方案。本项目的重要研究结果及其科学意义如下：1）针对传感器网络节点低功耗的特点，将信道反馈技术引入传感器网络中，设计出可实现物理层安全且满足低功耗需求的反馈编译码方案。2）现有的最佳信道反馈方案是利用反馈生成密钥加密待发送的消息，但该方案并未达到理论上的最优值。提出将有损信源编码与现有最佳方案相结合的新方案，证明了新方案比现有方案更好，推动了可实现物理层安全的最佳信道反馈方案这个公开问题的解决。3）针对带非因果信道状态信息的高斯信道模型，设计了可达到系统安全容量的最优信道反馈编译码方案，并从理论上证明了该方案大幅提高了系统的安全传输速率。4）在高移动无线通信中，速度过快带来较大的信道状态信息反馈延时。将高移动无线通信系统的上下行链路分别建模为有限状态马尔科夫多址接入窃听信道以及有限状态马尔科夫复合窃听信道模型，从理论上揭示了反馈延迟时间和最大安全传输速率的数学关系。 总体来说，本项目的实施探索了各类通信信道模型可实现物理层安全的最优反馈编码方案，推动了该领域的发展。