无线协作网络物理层协同安全技术研究

Wireless cooperative networks introduce wireless relay nodes to achieve cooperative diversity, which can prevent channel fading, improve spectrum efficiency and expand transmission range with cooperative communication. However, it is also vulnerable to attacks such as malicious eavesdropping and forwarding. Physical layer security for wireless cooperative networks is to improve physical layer security performance with secure cooperative communication. In this proposal, we focus on the collaborative technology of physical layer security. We will comprehensively study the pros and cons of cooperative communication on wireless physical layer security. We aim to improve the security performance by cooperative relaying and jamming, in which cooperative relaying increases the main channel capacity by cooperative beamforming and cooperative jamming decreases the eavesdropping channel capacity by friendly jamming towards the malicious eavesdropper. To meet the application requirements and to overcome the real-world limitations of wireless cooperative networks, we propose a distributed traffic-aware cooperative relaying mechanism and a self-adaptive cooperative jamming mechanism, which is specific to the limited resource and imperfect channel state information of wireless cooperative networks. Besides, we exploit the secure cooperative communication problem and propose a joint mechanism with active relaying and passive jamming. The goal of this proposal is to achieve multi-dimensional security for wireless cooperative networks by a potential prototype implementation and network evaluation.

无线协作网络是在通信过程中引入中继节点并形成分集效果的新兴无线网络，通过节点之间的协作通信，可抵抗信道衰落、提高频谱利用率并扩大通信覆盖范围，但也会引入恶意窃听、非法转发等安全隐患。无线协作网络的物理层安全，是指从物理层安全通信入手，利用协作通信的方式来改善安全性能，是无线通信网络和信息安全领域交叉的研究热点。本课题聚焦物理层协同安全技术研究，将深入分析协作通信机制对物理层安全性能带来的正反两方面影响，通过协同中继和协同干扰两种手段，提升安全能力，前者利用协同中继波束成型，提升合法用户的主信道容量；后者通过在协作通信过程中发送有效干扰信号，降低窃听信道容量。针对无线协作网络的应用需求和现实约束，研究分布式流量感知的协同中继策略，提出资源受限和非理想信道条件下的自适应协同干扰策略，设计主动中继和被动干扰相结合的安全协同传输机制，面向系统实现和真实网络验证，实现无线协作网络安全效能的多维提升。

无线协作网络是在通信过程中引入中继节点并形成分集效果的新兴无线网络，通过节点之间的协作，可抵抗信道衰落、提高频谱利用率并扩大通信覆盖范围，但也会引入恶意窃听、非法转发等安全隐患。无线协作网络的物理层安全，是指从物理层安全通信入手，利用协作通信的方式来改善安全性能。本项目聚焦物理层协同安全技术研究，对面向无线协作网络安全协作通信的协同中继和协同干扰等物理层安全挑战性前沿技术进行了探索。..针对无线协作网络的分布式通信流量、资源受限和非理想信道条件等应用需求和现实约束，首次提出了复杂多用户无线协作网络安全容量优化模型，从协同安全的视角分析了协作节点参与下的通信机制对物理层安全性能带来的正反两方面影响。基于该优化模型，提出一种主动中继和被动干扰相结合的安全协同传输机制，使物理层安全设计所要达到的“最佳”同时具备安全和效能两个不同的维度。针对物联网设备的窃听假冒和空口信道攻击，我们在国际上首次提出低功耗、轻量级的物理域内生安全防御技术，设计并实现了基于无线信道“电磁指纹”的一致性动态密钥生成方法，解决了传统密钥交换机制计算量庞大、难以应用于物联网安全组网这一挑战性前沿问题。项目研究成果在真实网络中搭建了验证系统，验证了无线协作网络物理层协同安全性能的多维提升效果，取得了一系列独创性研究成果。..依托本项目，以第一发明人获国家发明专利授权3项。发表国际权威期刊SCI论文7篇，EI论文12篇，其中在国际知名期刊IEEE Access发表通信作者论文2篇，Security and Communication Networks（C类）发表第一作者论文1篇，Sensors发表第一作者论文1篇，在国际知名会议ICPADS 2019（C类）、CDBCom2019发表第一作者论文2篇，在ICNP 2019（B类）、ICC 2018-2019（C类）、HPCC 2017（C类）等国际权威学术会议发表通信作者论文8篇，累计学术引用300余次。