协作通信中的物理层认证研究

With the rapid development of large-scale and dense heterogeneous works, cooperative communication has become an important technology in eliminating interferences, improving communication efficiencies, and enhancing the secrecy performance. However, existence of selfish and malicious nodes could significantly degrade the performance of cooperative communication, and at the same time introduce many serious security threats. Therefore, authentication is one of the most required technology in cooperative communications. To deal with this problem, this project aims to develop novel physical layer authentication approaches for multi-hop, multi-node and multi-link cooperative communications, from the perspective of physical layer security. In the background of a heterogeneous and dense network, physical layer authentication based on cooperation methods will be first developed and then analyzed. Then for cases with selfish collaborators, multi-objective optimization model will be established using game theory. Based on this model, the wireless resources will be optimally allocated among all partners to improve the authentication performance. Moreover, for cooperative communication with multiple links from different heterogeneous networks, a large-scale analysis framework for physical layer authentication will be studied based on stochastic geometry, and used to evaluate the performance the physical layer authentication from a network level. These works can provide useful insights and key technologies for enhanced security in future wireless networks.

随着无线网络向异构、密集、大规模等趋势发展，协作通信已成为降低干扰、提升通信效率、增强保密性能的重要手段。但是，自私节点、恶意节点的客观存在，一方面阻碍了协作通信系统的性能提升，同时也为无线网络埋入严重的安全隐患。所以，可信认证是协作通信必须应对的关键问题之一。针对该问题，本项目从物理层安全的角度出发，开展协作通信中面向多点、多跳、多连接的物理层认证研究。以异构密集网络环境为背景，研究基于协作的物理层认证方法，并推导其可达认证性能；针对协作节点的自私行为，利用优化与博弈理论建立多维优化模型，通过无线资源在协作节点间的优化配置增强认证性能；基于随机几何理论建立异构密集网络的多连接认证模型，从网络级的宏观角度分析无线网络的可达认证性能。上述研究成果将为在未来异构密集无线网络中部署增强的信息安全体系提供理论与技术指导。

当前及未来移动通信网络具有异构、密集、大规模部署等基本特征，并且，需要满足人与人通信以及机器通信的多样化、差异化需求。因此，信息物理空间融合、异构网络融合、功能虚拟化、池化资源柔性配置等多种协作形式不断涌现。协作成为增强无线网络能力和无线通信质量的必要手段。但是，自私节点、恶意节点的客观存在，妨碍了协作技术为通信系统带来的性能增益，也为无线网络埋入严重的安全隐患。因此，可信认证作为安全通信第一步，对协作节点的认证与检测是协作通信必须解决的关键问题之一。.本项目围绕三个基本问题开展研究：1）非可信协作节点的行为模型是怎样的？2）如何有效认证非可信协作节点的恶意行为？3）如何基于非可信协作实现安全通信？主要内容包括：（1）针对中继协作、多用户协作、异构协作网络中的窃听攻击、篡改攻击、干扰攻击等进行建模分析，研究其对系统安全性的影响，为非可信协作节点的行为建模和相应认证方案的设计提供理论支撑；（2）基于分布式协作、中继协作、多层融合协作网络架构，研究基于多点分集、多属性联合、上层辅助的增强认证技术；使用随机矩阵理论、假设检验理论以及统计分析方法，提出基于区域、谱分布等的轻量级认证框架，有效解决密集网络中的异常用户检测问题；（3）针对多点协作通信系统，研究基于不可信节点的密钥协商问题，为设计基于密钥的数字签名、加密通信等奠定基础。.上述工作为揭示无线网络中的非可信协作行为模型，增强无线接入过程的安全可信能力具有指导意义。