基于能量采集的毫米波通信系统中物理层安全传输技术研究

Physical layer security techniques provide a new vision for energy-harvesting-based millimeter Wave (mmWave) communication systems, where however the way of security design stays unclear. The problems of non-ideal system restriction, e.g., imperfect CSI, poor signal compensation mechanism and balanced performance parameter, are still more challenging to be investigated. This project mainly focus on the organic fusion of the energy harvesting, mmWave, and physical layer security techniques. By exploiting the nature of wireless channel and diversified performance requirements, varieties of channel error models and cooperative relay transmission strategies will be studied to achieve multi-objective performance parameter, like security, robustness and energy efficiency. Above this, this project develops the joint optimization of the artificial noise and secure precoding to enhance the secrecy transmission via convex optimization, robust optimization and multi-objective optimization techniques, providing a theoretical guidance for energy-harvesting-based mmWave in the aspect of physical layer security.

物理层安全技术为保障基于能量采集的毫米波通信提供了新的思路，但尚未明确其安全设计路线。然而，基于能量采集的毫米波通信系统存在不完全信道条件、较差的信号补偿机制和性能指标均衡等非理想系统限制问题，其对物理层安全传输的影响尚有诸多开放性问题有待研究。本项目深入研究能量采集技术、毫米波通信和物理层安全理论的融合机制，针对其特有的信道特征和多样化性能需求，建立不同类型的信道误差模型和协作中继传输策略，设计以安全性能为核心并兼顾鲁棒性、能效等其它性能的多目标性能衡量指标。在此指导下，探索增强安全传输的信号处理方法，运用凸优化、鲁棒优化和多目标优化等理论设计人工噪声和混合预编码的联合优化方案，从物理层安全角度对基于能量采集的毫米波通信设计提供指导。

面对爆炸式增长的高质量通信服务需求，为解决现有通信网络的有限无线带宽资源与无处不在的大量高速率传输需求之间的矛盾，本项目在实际的非线性能量采集模型下的毫米波通信系统中，重点突破了MIMO-SWIPT物联网系统中保密鲁棒波束成形技术、基于非线性能量采集的毫米波保密通信系统鲁棒波束成形技术、基于智能反射面辅助的保密SWIPT系统鲁棒波束成形技术，并搭建了基于非线性能量采集模型的保密鲁棒波束成形仿真验证平台，建立了保密鲁棒波束成形理论体系，解决了信道估计精度不足导致通信系统设计的鲁棒性下降，极其受限的网络容量带来了可持续通信、信息安全问题和复杂的传输环境与信号的衰减难以保证信息的安全传输三大挑战。.通过本项目的研究，发现实际的能量采集电路（非线性能量采集模型）的鲁棒资源管理算法获得的系统性能明显优于非实际能量采集电路（线性能量采集模型）的性能，考虑智能反射面智能调控和被动传输的特性对传输信号进行有效调控，满足特定场景中的通信需求。而且，理论和仿真上证明了智能反射面将进一步提升毫米波通信系统的保密性能。此外，本项目所提出的基于智能反射面辅助鲁棒波束成形技术为提升毫米波通信系统的安全性能提供了可行性方案。.依托本项目理论研究成果，共在国际权威期刊及顶级会议上发表论文共计34篇，其中一作/通信作者25篇，入选ESI高被引论文1篇，论文发表于包括权威期刊IEEE Transactions on Wireless Communications、IEEE Internet of Things Journal等权威期刊和会议；在本项目基础上，作为课题负责人已获批河南省高层次人才特殊支持一项、中国博士后科学基金面上资助项目两项，河南省科技攻关项目一项、河南省博士后科研项目及“博士后国际交流计划”学术交流项目等6项国家级或省部级项目，研究经费累计超过86万元；在研期间，获得了中原青年拔尖人才、河南省高层次人才，郑州大学“拔尖博士”等人才计划；并被邀请担任国际知名期刊Journal of Communications and Networks、Wireless Communications and Mobile Computing和Physical Communications客座编辑；在本项目研究过程中，共培养了博士生3名，硕士研究生11名；申请了国家发明专利14项。