认知中继网络中的物理层安全技术研究

Recently, the issue that how to make effectively use of the limited spectral resources to implement secure and reliable data transmission in wireless communications has attracted widespread attention from the research community all over the world. On the other hand, cognitive relay network as a combination of the cognitive radio technology and wireless relay technology is expected to solve many problems faced by the current wireless communications. Very recently, physical-layer-security technology as an emerging research field and a promising technology to solve the secure issues of wireless communications plays an important role in the development of wireless communication technologies. This proposal studies the physical-layer-secure technologies for cognitive relay networks using the network information theory. We focus mainly on the following areas, i.e., the secure cooperative spectrum sensing technology, the secure communication capacity analysis for the multi-user channel scenario and the corresponding secure coding strategies, and the secure cognitive two-way relaying technique. Our purpose is to develop novel strategies to implement secure cooperative spectrum sensing and cooperative relaying techniques for the cognitive relay network, and provide both the theoritical and the technical supports for the next generation wireless networks.

无线网络中，如何有效利用有限的频谱资源，实现安全、可靠的数据传输，成为国内外广泛关注的焦点问题。认知中继网络作为一种结合了认知无线电和无线中继技术的新型网络，有望解决无线通信面临的诸多问题。与此同时，无线通信网络的物理层安全技术作为一个新兴的研究领域和解决安全通信的有力手段，也为无线通信技术的发展发挥着重要作用。本项目将以认知中继网络为应用背景，以网络信息论和物理层安全技术为理论基础和主要技术手段，探索可以显著提高认知中继网络安全性能的技术和方法。为此，我们重点研究安全的协作频谱感知技术、多用户信道模型下的可达安全通信区域与安全通信容量、安全通信编码方案和安全的认知双向中继技术。旨在通过上述研究，实现一套基于物理层安全技术的安全协作频谱感知和协作中继方案，以提高认知中继网络中信息传输的安全性，为新一代无线通信网络的实现提供理论和技术支持。

项目围绕认知中继网络中的物理层安全技术展开研究。深入分析了多用户信道模型下的安全协作频谱感知技术，提出了基于信任度的频谱感知算法；结合系统生命周期，在保证系统频谱检测概率的前提下，提出一种信任度累加的频谱感知算法；研究了多天线协作下频谱感知方法，分析了频谱感知性能，并推导出系统检测错误概率闭合表达式；研究了保障物理层安全条件下的多中继选择策略，分析并推导了各中继选择方案的拦截概率以及各中继选择方案的分集阶数；研究了提高主用户网络物理层安全的主次用户协作方法，提出了两种物理层安全意义下的最优时频资源分配方案；研究窃听网络的安全网络编码，提出了一种基于带状矩阵的安全随机线性网络编码方案；从网络消息分组传输的角度出发，利用网络编码实现变信息率网络有效通信的条件，提出了一种构造变信息率线性网络编码的方法；研究认知双向协作中继模型下的安全通信技术，针对多天线系统，设计了一种安全双向中继波束成形方法，能够有效提高系统的安全性能；研究了全双工系统的安全性能，并提出了两种提高物理层的安全性能的协作干扰策略；探讨了认知技术在智能交通通信中的应用，提出基于车辆相对运动速度的车联网被动群集车间通信模型。这些研究成果可为认知中继网络的安全通信提供理论依据和技术支持。