异构密集无线网络的安全容量研究

With the rapid increasing of wireless data traffic, the ultra dense heterogeneous deployment, merging wide coverage and hot-spots, will be an important feature in next generation mobile communication network, which will result in severe interference among users. From the viewpoint of information theory, interference signals may be utilized by illegitimate users, incurring information leakage and then the security problems. This project aims to research the security modeling and secure transmission technologies in ultra dense heterogeneous networks (HetNets) from the perspective of physical layer security. With respect to security modeling of ultra dense HetNets, the secrecy capacity model will be studied based on stochastic geometry, which can characterize the diversity of base stations, the randomness of legitimate users and eavesdroppers, the statistics of intra-tier and inter-tier interference. Moreover, secrecy outage probability and secrecy capacity will be formulated based on the model. The random matrix theory will be applied to study full-cooperation physical layer security technology, to further extend the secure coverage and improve the achievable secrecy rate. These above achievements will provide a theoretical guideline for the secure deployment of the ultra dense HetNets, and can also provide theoretical foundations and technology supports for the design and standardization of the next generation reliable mobile communication.

随着用户业务量的快速增长，融合蜂窝与热点的无线异构密集部署将成为下一代移动通信网的重要特征，并将导致严重的用户间的干扰问题。从信息论角度出发，干扰信号可被非法用户利用造成信息泄露，从而引发安全问题。本项目拟从物理层安全角度切入，研究异构密集网络的安全建模及其安全传输技术。针对异构密集网络的安全建模，拟基于随机几何理论，建立表征基站多样性、合法用户和窃听用户随机性、同层/跨层干扰等特性的安全容量模型，并推导安全连接概率和安全容量；利用随机矩阵理论研究全协作物理层安全技术，进一步扩大网络的安全覆盖范围、提升可达安全速率。上述研究成果将为异构密集网络的安全部署提供理论指导，为下一代可信移动通信的设计和标准制定提供理论基础和技术支撑。

本项目针对异构密集无线网络的安全问题，从信息论的角度出发，研究网络安全容量建模和物理层安全传输技术，通过对基站多样性、用户随机性、干扰复杂性、信道衰落性的刻画，分析并推导安全性能的理论表达式，并在此基础上利用多小区、多用户、多天线之间的全协作技术，研究空时频等多维资源联合优化的增强物理层安全传输技术，为未来异构网络的安全部署提供理论指导和参考依据。研究内容包括：1）异构密集网络的安全建模及容量分析；2）异构密集网络的物理层安全传输技术；3）物理层安全传输技术的资源管理方案。.针对上述研究内容，本项目推导了非均匀异构网络的安全覆盖和安全速率性能，给出协作干扰场景中多输入单输出单窃听多协作模型下的系统可达保密容量表达式；针对中继随机部署的异构网络，给出提升安全传输能力的中继选择方案，并设计了一种不可信中继安全协能传输的功率与时隙分割传输方案；针对协作传输场景，研究了基于最大安全速率与最佳功率分配的安全传输技术，并提出一种支持安全移动的小区切换策略，给出优化的跨层基站选择方案；进一步结合5G物理层关键技术，分析合法用户共享密钥的窃听信道下可达安全容量的极化编码方案，研究了全双工主动窃听场景的人工噪声与有用信号功率分配策略。.基于上述创新成果，项目组在IEEE Wireless Communications and Mobile Computing、IEEE Transactions on Communications, IEEE Transaction on Information Forensics Security和IEEE Access等国内外高水平学术期刊上发表SCI检索论文4篇，在IEEE Globecom、IEEE PIMRC、IEEE CIC/ICCC和IEEE APCC等重要国际学术会议上发表EI检索论文5篇，此外，项目组基于创新成果，已申请发明专利2项，出版专著1本。.在本项目的支持下，项目负责人及项目组多位成员成功申请国家留学基金委资助的青年教师出国研修项目和博士生联合培养计划。项目组共开展国际学术交流与访问13次，其中举办国际学术会议2次。.综上所述，本项目已按照预定计划开展，并实现了研究目标，取得了一系列创新成果，通过广泛的国际学术交流提升了影响力，培养了一批高水平人才。