无线传感器网络中基于多用户协作传输的无线安全通信关键技术

本项目以无线传感器网络信息的安全传输为应用背景，在信息论意义下的基于物理层的安全通信方法的基础上，结合多用户协作传输，研究无线传感器网络中的基于协作的安全通信问题，在保证系统低功耗和可靠性的前提下，有效改善网络的整体吞吐能力，最大限度的实现信道容量。本项目探索如何利用协作分集技术显著提高无线传感器安全通信系统中信息的保密性和传输速率的方法和技术手段，着重研究基于中继协作的安全传输技术以及各节点间的功率分配等关键问题，并进行相关验证。项目预期将揭示如何将协同通信技术应用到安全传输系统中，实现保密信息的安全、快速传输，建立无线传感器网络中的低功耗的安全通信系统。项目的研究成果对于低成本低功耗的无线传感器网络有重要意义，可以为基于多用户协作传输的安全通信系统的关键技术研究提供科学依据。

物理层安全利用无线信道的物理特性设计编码以防止信息被窃听，在物理层上保证信息的安全，从而避免了复杂的加密算法。目前已有大量的研究工作从信息论的角度分析了各种信道在理论上可达到的保密容量，为了实现或逼近理论上的保密容量，如何设计发送策略成为研究热点。由于实际应用场景的复杂性，必须开展针对复杂系统模型以及去掉强假设时的发送策略，以满足实际应用的需求。. 本项目将协作传输用于无线传感器的安全通信网络中，利用信息论意义基于物理层的安全通信方法，在存在多个窃听者的情况下，研究基于中继协作的安全通信，并提出有效且易实现的方案来获得最大的保密信道容量。具体包括：. 1) 提出了一种改进的二分法以计算多个窃听者存在情况下的MISO 系统中最优的源节点发送策略。不仅实现了整个系统的保密容量，并且保证在任何有限精度的条件下其所得到的最优发送策略都为波束成形，从而有利于实际应用中的可行性。同时该算法的时间复杂度较低、计算量少，适合低功耗要求的无线网络。. 2) 提出一种基于选择分集的启发式算法，该算法可求得多个窃听者存在情况下的MIMO 系统中源节点的发送策略。仿真结果说明了该算法可实现的保密传输速率接近于保密容量。. 3) 提出了一种混合协同策略，结合协同中继与协同干扰两者的优点，通过最优化节点的发送功率分配，将可实现的保密传输速率在各种场景下都得到了极大的提高。. 4) 提出了一种基于最坏情况的鲁棒波束成形算法，该算法针对合法节点具有不精确CSI 的情况。无论多天线系统或协同中继，还是协同干扰，通过优化最坏情况，该算法在不精确CSI 的情况下仍能实现较高的保密传输速率，对信道系数估计误差具有较好的鲁棒性。. 综上所述，该项目分别针对多天线无线通信系统中，直接传输，利用中继节点的协同中继以及利用中继节点的协同干扰，三种传输方式，研究源节点和中继节点的最优发送策略，使其具有较好的鲁棒性和较低的复杂度，并进行了理论证明及仿真验证，从而实现最大程度的保密传输。