多天线多点协同系统的物理层安全通信关键技术研究

Coordinated Multi-point (CoMP), particularly with each point equipped with multiple antenna, is well-establihsed as one of the key technologies to improve wireless system performance due to its great potentials that can effectively mitigate mutual interference and improve freuqency efficiency. Meanwhile, physical layer security communications acting as a promising technology to guarantee wireless security attracts a lot of attention from the wireless researchers, recently. In order to gain both the benefits introduced by these technologies, physical layer security of CoMP is of great importance. To our best knowledge, many theoretical problems in this field are largely open. We aim at proposing a theoretical framework of the physcial layer security communcations of CoMP. Particularly, first we focus on the achieving secrecy rate region and the outer boundary from information-theory perspective. Furthermore, based on modern optimization tools, the physical layer security problem will be investigated from three perspectives: robust designs, distributed algorithm designs, and multi-objective optimization. It is expected that effective and low-complexity algorithms are designed to support the physical layer security in practical CoMP systems. Specifically, the research work mainly consists of the following four categories: 1) The secrecy rate region and Pareto-boundary; 2) Robust coordinated secrecy beamforming design; 3) Distributed physical layer security scheme design; 4) Multi-objective optimization based physical security scheme design.

多天线多点协同通信技术可以有效的抑制同频干扰，提高频谱效率，进而极大的提升无线网络整体性能。同时，物理层安全技术作为一种新颖有效的安全技术，可以有效的保证无线通信的安全性。为了结合二者的优势，多点协同系统中的物理层安全通信问题具有重要的理论和应用价值。但其由于特殊性和复杂性，无法直接利用现有的理论结果。本课题拟针对该系统的物理层安全通信问题建立新的理论框架，基于信息理论与现代优化理论，首先推导出其对应的安全速率域与性能界，在此基础上，从鲁棒性、分布式、多目标三个角度对该问题进行深入研究，提出高效、低复杂度的解决方案，为物理层安全通信技术在多点协同通信场景下的应用提供重要的理论依据和技术支撑。具体研究内容包括：1）基于协同通信的安全速率域及Pareto边界；2)基于非理想信道信息的鲁棒性优化安全波束赋形设计；3）基于协同通信的分布式物理层安全方案设计；4)基于多目标优化理论的物理层安全技术

无线信道的开放性使得安全和干扰成为制约无线通信性能的关键因素。多点协同技术，作为目前无线移动通信系统演进过程中的关键技术之一，可以有效的提高系统性能，突破传统多点网络中的干扰瓶颈问题，然而因为增加了节点之间的信息交互，无疑对信息安全提出了新的挑战。作为保证信息安全的有效手段，物理层安全技术与传统的采用共享密钥来“加密”进而保证安全的方式不同，而是利用无线信道衰落、噪声及广播等特征提供安全传输。.本课题针对多天线多点协同传输场景下如何有效利用物理层安全相关技术提高通信安全进行了深入的研究，取得的主要研究进展和成果包括：1.具体研究了协同通信MISO/MIMO信道下的安全容量域及Pareto边界；2. 设计了非理想信道下安全波束赋形鲁棒性；3. 提出了分布式物理层安全算法设计；4. 进行了动态多目标优化理论指导下的物理层网络安全技术研究；5. 在不同的通信系统及场景中对其进行了有效的方案设计及优化，例如在能量采集多点协同系统中的安全传输方案，能量采集无线异构网中的安全传输方案，毫米波通信中多天线中继场景下安全传输方案，星－地融合通信中的安全设计方案等。.经过项目组的努力，已在IEEE Communications Surveys and Tutorials，IEEE Transactions on Vehicular Technology，IEEE Transactions on Communications等国际著名期刊和WCNC等著名国际会议上共发表论文27篇，申请专利10项，超额完成原定计划。本项目取得的研究成果可有效地提升多天线多点协同传输场景下的系统性能，保证传输信息的可靠性和安全性。