无线通信物理层信息安全传输理论研究

Developing physical-layer security communications technologies is the critically important basis to implement secure, reliable, effective next-generation wireless networks. This project plans to conduct thorough and comprehensive research on physical-layer security transmissions theory and key techniques. First, starting with analyses on deficiencies of current theoretic physical-layer security model, we propose the virtual double-tunnel based noise aggregation theory, which separates security and reliability functions and attains the optimized coupling, and achieve the reconfiguration of anti-eavesdropping resources. Capturing the multi-mode-multi-status characteristic of mobile services, we build the statistical security model, which can provide the fine-grained information-security classification system. Following the above fundamental research, we further study multi-user-multi-layer cooperation-based physical-layer anti-eavesdropping techniques and environment-cognition enabled smart secure communications techniques, such that we can guarantee the security for wireless services by sufficiently taking advantage of networking-featured transmissions of multi-user wireless systems. Furthermore, we design diverse-requirement oriented cross-layer transmission and comprehensive quality-of-service (QoS) guarantee schemes, bridging the physical-layer information-security theory and practical applications. Finally, we develop simulation test platform and hardware emulation systems, and evaluate and verify our proposed innovative theory and algorithms. This project will play an actively leading and boosting role in the research and development of information-security technologies for our country. In the meantime, it will provide valuable theoretical foundation and technique reference for applications of physical-layer security theory in wireless networks.

研发物理层安全技术是实现安全、可靠、高效的下一代无线网络的必经之路。本项目拟针对物理层信息安全传输理论和关键技术展开深入研究。首先，从分析现有理论模型的缺陷入手，提出基于虚拟双通道的噪声聚合理论，实现安全性-可靠性的功能分离与优化耦合，完成抗窃听信道资源的重构；针对移动业务多模态特征，建立统计安全模型，提供精细化信息安全等级描述机制。在此基础上，研究基于多用户多层级协作的物理层抗窃听技术和基于环境认知的智能化安全通信技术，充分利用多用户无线系统的网络化传输特征提供安全性保障。更进一步地，设计面向多样化业务需求的跨层安全传输与综合服务质量保障方案，完成物理层信息安全理论与实际应用的对接。最后，开发仿真测试平台和硬件验证系统，对所提创新理论和新型算法进行评估验证。本项目的开展对我国信息安全技术的研究和发展将起到积极引领和推动作用，并对物理层安全理论在无线网络中的应用提供重要理论依据和技术参考。

研发物理层安全技术是实现安全、可靠、高效的下一代无线网络的必经之路。本项目针对物理层信息安全传输理论和关键技术展开深入研究，取得如下重要研究成果。（1）在抗窃听信号设计方面，提出了基于虚拟双通道的噪声聚合理论与方法，将不同维度的噪声在窃听者处聚合，从而恶化窃听者的信道质量。（2）在物理层安全传输协议设计方面，建立了基于星座旋转的安全传输体系，为低成本节点间的安全通信提供了重要的理论依据和参考方案；设计了一系列基于可信协作和不可信协作的保密传输理论与方法，揭示了大规模网络中不可信节点对系统安全性的作用规律；提出了基于博弈的智能化安全传输技术，有效对抗主动窃听。（3）开辟了基于喷泉码的无线安全传输这一全新研究方向，设计了基于喷泉码的精细化安全质量保障方案；开发了基于软件无线电的试验验证系统，对所提方案的有效性进行了评估测试。（4）针对时延敏感数据的传输，提出了统计安全建模方法和资源分配机制，能够充分利用业务特性实现差异化的安全质量保障。（5）在对抗导频欺骗、篡改和干扰攻击方面，建立了一系列时频码域导频认证技术，为不同用户规模的低时延导频信号防护提供了安全保障。本项目的开展对我国信息安全技术的研究和发展起到积极引领和推动作用，并对物理层安全理论在无线网络中的应用提供重要理论依据和技术参考。