基于解码转发的不可信中继网络物理层安全研究

In untrusted relay networks, relay nodes are not only message forwarders but also potential eavesdroppers. A lot of research efforts have been dedicated to untrusted relay networks with amplify-and-forward and compress-and-forward relaying, while decode-and-forward relaying is ignored. This research focus on the cooperative transmission scheme design and security performance analysis of untrusted relay network with decode-and-forward relaying. More specific, we derive the achievable rate region with distributed source coding theorem, calculate the secrecy capacity, secrecy outage and seurity-relaibility tradeoff. Based on the theoretical results obtained, we further develop optimal power allocation and best relay selection algorithms. The resutls will provide insights for untrusted relay networks against eavesdropping attack, and therefore has great theoretical and practical values.

在不可信中继网络中，中继节点既参加信息转发，又是潜在的窃听者。不可信中继网络的物理层安全研究以往主要考虑放大转发和压缩转发的中继协议，而未考虑解码转发协议。本课题主要研究基于解码转发的不可信中继网络中抗窃听攻击的协同安全传输方法和安全性能分析，具体内容包括：利用分布式信源编码理论推导可达码率区间；保密容量、保密中断概率和保密-安全折衷函数的理论推导和数值计算；基于保密限定的最优中继选择算法和能量分配算法的设计。本课题的研究成果将为不可信中继网络抗窃听相关技术研究提供一种新的研究思路和参考，具有重要的理论和实际价值。

中继技术可以显著增强通信网络系统的信息传输可靠性，在5G以及后5G时代中有着广泛的应用。由于中继节点深度参与信息传输全过程，如果中继节点不是可信的，则整个通信网络系统存在较大的信息泄露风险，进而威胁系统的通信安全。本项目主要从物理层安全的角度研究基于解码转发的不可信中继网络的安全传输技术，具体来讲，包括基于解码转发的不可信中继网络安全传输协议、性能理论分析、以及能量分配和中继选择策略研究。.. 在安全传输协议方面，我们提出了一种基于解码转发的不可信中继网络安全传输协议，该协议同时借鉴了解码转发和压缩转发两种传统中继协议的部分思想，允许中继节点在解码失败时重新编码并向目的节点发送信号，同时目的节点对信源节点和中继节点的信号进行联合解码。基于该协议，我们理论分析了中继节点处获取的信息量。在性能理论分析方面，我们深入分析了信源编码和信道编码之间的关系，并基于Slepian-Wolf定理、具有边信息的信源编码定理和Wyner-Ziv定理理论推导得到了系统的可达码率区间。在此基础上，进一步定义了系统的保密-可靠概率这一重要的性能指标，并进行了数值求解。在能量分配和中继选择策略方面，我们设计了基于凸优化的能量分配算法，以及基于失真率优先的中继选择算法，从而可以大幅提高系统的保密-可靠概率。.. 基于解码转发的不可信中继网络物理层安全技术在提高系统通信可靠性的同时，从物理层的层面避免了不可信的中继节点窃取信息，可用于未来大规模物联网、车联网等无线网络数据传输过程中，具有广阔的应用前景。