基于用户移动空间分布特征的物理层安全传输机制与优化研究

Physical layer security provides a high secure transmission for fast access and high speed transmission of 5G massive devices, without sharing the secret key. Thus it can reduce the complexity of secret key distribution and management. However, the impact of mobility on wireless physical layer security is not well understood. This project studies the extraction techniques of mobile users' spatial node distribution and establishes physical layer secure transmission mechanism based on mobile spatial node distribution. By comprehensively considering users' spatial node distribution, security and communication quality of service requirements, we investigate techniques of protection area design, the transmission subareas partition with different security levels and the adaptive secure transmissions, which can realize the physical layer security performance enhancement and optimization without any additional consumption. For moving speed range of 1~5m/s, the project can improve average security capacity and security throughput of mobile users by 10%~20% and the security ougate probability can be reduced to 10-2~10-3 level, without limiting the moving range of users.

针对5G海量设备的快速接入和高速数据传输需求，物理层安全技术可实现无需密钥的高安全数据传输，大大降低了密钥分发和管理的复杂度。但是目前的物理层安全研究很少考虑用户的移动特性对物理层安全传输性能的影响。因此本项目从用户的移动特性出发，通过研究移动用户空间分布特征的提取理论和技术，建立基于移动空间分布特征的物理层安全传输机制。通过综合考虑用户的移动分布特征、通信传输质量及安全性的需求，研究保护区域设计、划分不同安全等级的传输子区域以及自适应的安全传输机制与优化策略，在不引入额外资源消耗和不限制用户移动范围的情况下，达到对安全性能的增强与优化效果。本项目针对移动速度1~5m/s范围内的用户，在同等收发条件下能取得遍历安全容量和安全吞吐量提升10%~20%，安全中断概率降低至10-2~10-3数量级水平的安全性能优化效果。

本项目自立项以来围绕基于用户移动空间分布特征的物理层安全传输与优化机制展开研究，通过对用户移动轨迹平稳统计特性分析节点的移动分布特征， 建立基于用户移动空间分布特征的物理层安全传输基本分析模型。揭示移动分布特征、移动物理特征（如速度、方向、停留点）与传输的遍历安全可靠性能的表征与耦合机制，建立了移动分布特征、传输可靠质量和安全中断概率的联合最优机制设计，达到在不引入额外资源消耗和不限制用户移动范围的情况下，在同等收发条件下能取得遍历安全吞吐量提升和安全传输中断概率降低的安全性能优化效果。开展基于移动空间分布特征的自适应的安全传输与优化策略。在此基础上，将研究拓展延伸到移动边缘计算场景中，开展基于随机移动协作干扰的安全传输技术、车联网安全传输与能效优化、移动用户对抗多节点与天线窃听技术、基于智能反射表面辅助移动用户安全传输、针对移动用户的身份欺骗攻击检测技术。通过理论证明、数值仿真和在工业边缘计算等场景实验，验证了研究的有效性。. 研究成果可应用于资源和能量受限环境边缘计算环境下，对移动速度 1~10m/s 范围内的移动用户，如物联网移动节点、城市车联网设备与无人机网络等提供一种新的基于用户移动特性的物理层通信安全技术增强技术。发表论文15篇，其中SCI论文9篇，包括中科院1区论文3篇，2区论文5 篇，CCF A类期刊2篇，国际A类会议1篇；申请发明专利10项，其中6项获得授权；行业协会奖2项。项目按进度执行并完成。