空天地通信网络物理层安全理论及全双工中继协作保密传输方法

The security problem caused by wide open area air-space-ground communication networks is much more serious than the ground networks. With the rapid development of quantum computing technologies, eavesdroppers will eventually use infinite computing capabilities to launch brute force attacks, which can be disastrous to any traditional cryptosystem. As an emerging method of guaranteeing confidentiality, physical layer security can achieve definite information security according to information theory. The research is considering the characteristics of air-space-ground communication networks. Subject to the similar channel conditions between wiretap channel and main channel, the mathematics model is constructed to analyze the upper bound of secrecy capacity and then design the scheme of secure communications. Novelties to be accomplished as follows:.1) Minimal topology model of physical layer security for air-space-ground communication network is proposed with the research of secrecy capacity upper limit..2) Subject to the similar channel conditions between wiretap channel and main channel, a cooperative communication model, employing Full-Duplex relay collaboration interference technology, is proposed to ensure confidential communications. .3) Under the constraint of channel estimation error, a novel technology is proposed, which aim at deteriorating channel estimation initiatively at eavesdroppers instead of passive defense. .4) On the basis of research on precoding and beamforming with partial channel state information (CSI), artificial noise technology based on Wishart matrix eigenvalues is proposed, where CSI can be published and secrecy capacity is still achieved. .Above all, this project focuses on physical layer security in air-space-ground communication network for attaining the related theories and techniques of improving secrecy capacity as well as opening a new dimension in air-space-ground communication networks.

空天地通信的广域开放性所带来的安全问题远比地面网络严重，随着量子计算的发展，传统信息层加密面临被暴力破解的危险，而物理层安全理论将成为保障空天地通信安全的有力手段。本项目从空天地通信网特点出发，针对卫星等空中平台窃听者具有与合法接收者同等信道条件的问题，首先建立数学模型，分析保密容量界，进而完成安全通信方法设计。拟完成如下创新：1）提出空天地物理层安全通信网最小化拓扑模型，给出保密容量理论上限。2）提出空天地网络的全双工中继协作，解决窃听者和合法用户无差异化信道的难题。3）提出从被动防御转为主动恶化窃听信道的新思想，引导窃听者错误估计信道状态信息。4）在部分信道信息下的预编码和波束成形基础上，提出基于Wishart矩阵特征值的人工噪声，具有可公开信道信息和预编码的优势，即使信道信息被窃听者获得，仍能有效提升保密容量。本项目将对我国空天地安全通信的发展提供崭新的思维、可信的理论和有效的方法。

本项目立足于空天地通信网络的背景，深入发掘网络中的安全问题，重点突破物理层安全理论，构建符合实际场景的网络架构，提出切实可行的技术方案，为这一领域的深度发展提供行之有效的理论支持和技术指导。根据研究需要，先从理论基础上着手，进行空天地通信网络物理层安全理论模型建立的研究，进而针对不同于陆地通信系统的卫星通信系统物理层安全进行研究，为下一步的研究提供理论指导；接着，在理论基础上提出的空天地最小化拓扑结构网络下，研究同时同频全双工协作中继的工作方式，这其中针对双向非确信中继SCMA系统物理层安全技术和同时同频全双工毫米波Massive-MIMO中继预编码方法进行研究，初步实现借助全双工的物理层安全；进一步地，考虑一般都假设所提模型星地之间具有理想信道估计，然而实际上并不可能很完美的估计，故开展空天地物理层安全中的信道估计研究；接下来，由于在之前的研究内容中，假设发送卫星能够掌握信道信息，即使是不完美已知的情况进行了估计误差的讨论，因此需要针对非完备CSI信息的预编码和波束成形研究，同时，进行对相关主窃信道安全波束成形及合作干扰方法研究；接下来，因为前面的研究中，假设卫星主信道信息是不被窃听者已知的，这就需要谈论在主信道信息公开下人工噪声保密容量的意义以及广播通信信道下物理层安全人工噪声功率分配算法。最后，考虑到智能表面作为一个未来6G网络的潜在技术，针对智能表面展开源于可重构智能表面辅助的物理层安全关键技术研究。.项目搭建了完整的星地物理层安全的系统级仿真验证平台，支持天基中继测控数传一体化物理层安全演示，支持2*1，4*1，8*1天线，1终端用户，1窃听者的物理层安全通信。.本项目研究成果将应用于空天信息网络，瞄准科学的发展前沿，切合国家构建空天地一体化网络安全战略，为保障我国经济与社会的持续健康发展提供可靠的空间信息网络基础技术。