密集无线网络安全通信理论与传输方法

From the perspective of physical layer security rather than the traditional encryption mechanism based on encryption key and computational complexity, to explore new way to achieve secure communications with high spectrum efficiency in multi-antenna large-scale dense heterogeneous wireless networks. Starting from the smallest element in wireless networks, single cell, the secrecy capacity of which with statistical channel state information will be studied and the low-complexity secure transmit-receive methods will be proposed. Then, coordinated secure transmit-receive methods in a cell-cluster that consists of multiple cells will be proposed and the corresponding secure performance will be analyzed. To deal with the challenges in the study of secure communications in large-scale dense networks and in the optimization of system resource, we will try a new method, which combines the results of the former studies on simple network units with the mathematical modeling of system geometry parameters and performance analysis method based on stochastic geometry and random graph theories, to reveal the inherent mechanism of the impacts of the distribution densities and transmit power of different kinds of base stations, system load, the numbers of multiuser and base stations and other system resources on the secrecy performance of the networks, and also some basic laws of mutual restriction between these resources. Based on these results, the transmission methods and the resource optimization methods to achieve optimal secrecy performance of the systems will proposed. Meanwhile, we will propose discrimination channel estimation methods for multi-cell multi-user systems against potential passive eavesdropping and methods to detect and fight against pilot pollution attack in massive MIMO system. These results are expected to provide theoretical foundation and technical support for achieving secure communications with high spectrum efficiency in the future wireless networks.

从物理层安全而不是基于加密密钥和计算复杂度的传统加密机制的角度探索实现基于多天线技术的大规模密集异构无线网络中高频谱效率安全通信的新途径。将从研究网络的最小单元(单小区)在信道统计信息下的安全容量与低复杂度收发方法开始，进而研究多小区组成的小区簇中基于协作的安全传输方法与性能分析。为了解决研究大规模密集网络安全性能和系统优化所面临的挑战，将首次尝试结合关于简单网络单元的研究结果与基于随机几何和随机图理论的网络几何参数建模和分析方法，揭示不同类型基站的密度和功率、系统负载、多天线等资源影响系统通信安全性能的内在机理以及其相互制约的基本规律，据此提出使系统达到最优安全通信性能的传输方法和优化方法。同时，提出在多小区多用户系统中对抗消极窃听的差别化信道估计方法和在大规模MIMO系统中检测、对抗导频污染攻击的方法。旨在为未来无线通信网络以低系统代价实现高频谱效率安全通信奠定理论基础、提供技术支持。

根据任务书的研究计划，本项目首先研究了单小区多用户系统中基于人工噪声或者外置干扰机辅助的线性与低复杂度非线性的安全收发传输技术。当发送端获得所有授权用户非理想信道以及窃听者信道CSI的统计信息时，针对任意的系统参数集合推导出了信道平均安全速率和最优的多用户发送信号。进而优化了各个用户消息功率与人工噪声或外置干扰机功率分配；在量化信道信息条件下优化了上行反馈速率分配。提出了一种等效分解多用户多天线窃听信道为若干单输入单输出（SISO）窃听信道的方法；分析和优化了各个SISO窃听信道以及总的平均安全速率。分析了各个系统配置参数、信道参数对系统平均安全传输性能和对系统物理资源优化分配的影响。. 进而，项目在基站掌握不同水平的CSI时多基站使用CoMP JT和CB协作方式的情况下，提出了安全通信的线性协作传输收发算法。研究结果给出了各个系统参数与安全传输速率的定量解析关系，优化了部分系统参数（如各个基站功率分配与各个用户信道量化反馈速率）以最大化安全传输性能。. 之后，当给定基站、用户、消极窃听者的密度和天线数时，在各基站只能获得部分量化信道状态信息条件下基站之间不协作传输且使用线性传输方式的情况下，本项目研究了每个典型用户的平均可达安全速率以及当给定安全速率阀值时的安全中断概率；分析了系统资源参数与配置参数对单位面积内平均安全速率和安全中断概率的关系；揭示了当单位面积内平均可达安全速率最大或者中断概率最小时性能参数与基站密度和用户密度以及其他系统资源之间的关系；当考虑到上行信道状态信息反馈所带来的开销，优化了各基站的信号功率分配和用户的反馈速率以最大化除去反馈开销的净平均安全速率。. 我们建立了基于随机几何和随机图论的随机网络分析架构，通过优化配置人工噪声的发送功率以及反馈信道带宽，获得了大规模密集部署的随机无线网络的安全通信性能潜力，并分析了系统参数与安全通信性能之间的相互关系，搭建了系统级仿真平台对大规模随机网络的性能进行了仿真分析。