非理想条件下异构蜂窝网络物理层安全技术研究

The network architecture of 5G multi-tier heterogeneous cellular networks is diversified, non-uniform and open. At the same time, there exists various types nodes in networks, which makes it face serious information security problem. In addition, due to the influence of the deployment of base stations, the number of nodes and the distance between antennas, the imperfect conditions is appearing easily and leads to some security performance loss, which includes the estimation error, quantization error and relevance of channels. This project is going to explore the physical layer security under imperfect conditions in multi-tier heterogeneous cellular networks from the viewpoint of engineering implementation. Combing the characters of networks and the complexity of wireless transfer, this project will study the information theory of physical layer security, and set up the analysis frame of physical layer security, then respectively designs robust, efficient security transmission scheme and key generation scheme. Therefore, we resort the stochastic geometry to derive the secrecy outage probability, average secrecy rate, secrecy throughput, and other secrecy targets. So we can establish the frame of security performance of multi-tier heterogeneous cellular networks. Then, we further make the design of networks parameters jointly to maximize the security performance of system. Last but not least，we analyze the influence of channel relevance, quantization error on key capacity, modify the process of channel estimation and quantization, and design the corresponding key generation scheme.

5G多层异构蜂窝网多元化、不规则和开放式的网络架构，以及多样化的节点类型，导致其面临更严峻的安全威胁。此外，受其网络拓扑结构、部署方式、节点数目及天线距离等因素影响，信道估计误差、反馈量化误差及信道空间相关等非理想条件出现概率也大大增加，造成现有物理层安全技术在实际多层异构蜂窝网中的安全性能损失。本项目拟从工程实现角度出发，针对其网络结构特点与无线传输复杂性，研究非理想条件下多层异构蜂窝网络的物理层安全信息理论，构建相应的性能分析框架，并分别设计高效鲁棒的安全传输及密钥生成方案。借助随机几何理论分别推导安全中断概率、平均保密速率和安全吞吐量等安全指标，给出非理想条件下安全性能分析框架；以系统安全性能最优为导向，分别设计非理想条件下MISO、MIMO多层异构蜂窝网安全传输方案；定量分析信道相关性和量化误差对密钥容量的影响，改进密钥生成过程中的信道估计和量化流程，设计非理想条件下密钥生成方案。

异构蜂窝网络受网络拓扑结构、节点数目及距离等因素的影响，导致现有物理层安全技术存在安全性能损失。针对上述问题，本项目结合多层异构蜂窝网络的组网特点，对非理想条件下多层异构蜂窝网络的物理层安全问题展开研究。具体工作包括：.（1）非理想条件下多层异构蜂窝网安全性能分析框架.结合多层异构蜂窝网络的特点研究非理想情况下的系统安全性能，给出了在信道估计误差、反馈量化误差以及信道相关等3种非理想条件下的安全性能分析框架，为物理层安全方案设计提供理论指导。.（2）非理想条件下异构蜂窝网络物理层安全传输优化方案设计.综合考虑异构蜂窝网中的非理想条件，以系统安全性能最优为导向，分别在MISO异构蜂窝网信道估计误差、MISO异构蜂窝网确定误差以及MIMO异构蜂窝网确定误差等3种非理想条件下，设计了3种兼具鲁棒性和高效性的物理层安全传输方案，最大化系统安全性能。.（3）非理想条件下异构蜂窝网络物理层安全密钥生成技术.针对相关窃听信道、信道估计误差以及打破信道互易性的FDD系统3种非理想场景，分析了信道相关性对密钥容量的影响并推导了密钥容量闭式解。提出了4种密钥生成方案，对密钥生成过程中的信道估计和量化流程进行改进，提高了非理想条件下的密钥生成速率。.（4）非理想条件下基于RIS的安全传输技术.针对智能超表面（RIS）辅助的异构蜂窝网络，给出了节点随机分布下RIS辅助的安全传输分析框架，分析了系统参数对安全性能的影响。在此基础上提出了1种RIS辅助的异构网络鲁棒安全传输方案，提高了窃听信道估计存在高斯随机误差的情况下的密钥容量。.（5）非理想条件下基于RIS的密钥生成研究方面.针对静态环境等慢变信道，提出了基于RIS反射面和基于RIS天线的密钥生成方案，利用RIS的捷变特性和可重构特性，使密钥容量不受制于自然信道，有效提高了密钥生成速率。