保障中继网络安全性的低复杂度协作传输技术研究

Cooperative relaying, which is considered as one of the key technologies for future wireless networks, plays an important role in optimizing the network performance. Traditional physical layer (PHY) cooperative relaying stratigies mainly focus on the improvement of the link reliablility and the transmission rate. However, due to the openess of wireless channels, relay networks also face tough security challenges. Therefore, it is of vital significance to integrate the security considerations into the cooperative protocol design and develop the transmission techniques to guarantee the security in addition to the reliability and efficiency. To this end, we intend to do a deep study in wireless relay networks from the PHY-security perspective. Two representative scenarios, i.e., the relay networks with external eavesdroppers and that with internal eavesdroppers, are addressed, and some low-complexity transmission schems with security guarantee are investigated. To be specific, our research includes three parts: (1) the anti-eavesdropping node cooperation schemes; (2) the relay selection schemes with security enhancement; (3) the resource allocation schemes under security constraints. Based on the developed schemes, the system performance will be analyzed and evaluated from the information theoretical point of view. The relationships between the system performance and the key system parameters are also discussed. Our research is helpful in revealing the impact of the the security constraints on the physical layer performances of wireless relay networks, and it provides an important basis and a valuable reference for the application of cooperative relaying technologies.

协作中继是未来无线网络的关键技术之一，对优化网络性能具有重要作用。传统的物理层协作中继方案主要着眼于如何提升链路可靠性与传输速率。然而，由于无线信道的开放性，中继网络在安全方面还面临严峻挑战。因此，将网络安全性融入协作协议的设计，研究兼顾有效性、可靠性与安全性的协作传输技术具有重要意义。本课题拟基于物理层安全的视角对无线中继网络进行深入分析，针对窃听者为外部节点和内部节点等两种场景设计保障安全性的低复杂度传输方案。具体的研究内容包括：（1）有效对抗窃听的节点协作策略；（2）增强链路安全性的中继选择策略；（3）安全性约束下的资源分配策略。在完成上述策略设计的基础上，将从信息论的角度对系统性能进行分析和评估，并讨论关键系统参数与系统性能的关系。本项目的研究有助于揭示安全性限制对无线中继网络物理层性能的影响，将为协作中继技术的广泛应用提供重要的理论基础与有益的参考方案。

协作中继是下一代无线网络的关键技术之一，保障中继通信的安全性不仅是维持网络正常运转的前提，也是保障用户体验质量的基础。传统的安全技术多依赖于协议栈上层的加密技术，难于适应未来网络所具有的传播环境开放化和随机化、网络结构层级化和复杂化、安全需求的精细化和多样化的特征。与之相对，物理层安全技术能够更加有效地利用无线信道的特性，实现灵活、精细及多样化的安全配置。本项目基于物理层的视角对无线中继网络进行深入分析，将网络安全性融入协作协议的设计，研究兼顾有效性、可靠性与安全性的低复杂度协作传输技术。项目的研究内容主要包含两个方面：（1）针对窃听者为外部节点的场景设计物理层抗窃听和资源分配方案；（2）针对窃听者为内部节点的场景设计增强链路安全性的智能协作方案。针对窃听者为外部节点的场景，所完成的主要研究成果包括：a. 提出了一种增强V2V通信安全性的中继协议，基于机会中继和叠加编码技术有效实现了安全通信；推导了系统私密中断概率的上、下界的闭式表达式，分析了系统的分集阶数。b. 提出了一种面向车载网络的分布式“源-中继”选择策略，该策略能够有效提升车载通信系统的抗窃听能力；推导了系统私密中断概率和信息截获概率的闭式表达式，分析了系统可达的分集阶数。c. 提出了一种基于喷泉码的物理层安全传输方案，在统计意义下实现了合法用户先于窃听者累积到足够多的数据包的目标；利用该策略，合法用户的传输速率得以显著提升，而系统的信息截获概率可以忽略不计。针对窃听者为内部节点的场景，所完成的主要研究成果包括：a. 针对具有不可信中继的双跳放大转发系统，将协作中继和人工干扰的思想相结合，提出了一种最大化私密速率的中继选择策略，推导了各态历经私密速率下界的闭式表达式，分析了中继节点数量增加时各态历经私密速率的渐近结果，揭示了不可信中继对系统安全性能的影响。b. 提出了一种双向中继系统中基于星座旋转和人工噪声注入的安全传输方法，有效增加了不可信中继窃听信息的难度，保障了信息的安全传输。c. 面向协作式D2D通信提出了一种基于信号对齐的安全性增强方案，使得任一用户在解码目标用户信号时均不受干扰影响，保障了传输的可靠性；另一方面，在解码非目标用户信号时均存在误码平台，保障了传输的私密性。本项目的研究成果对于增强协作通信系统的传输安全性具有重要的指导意义，并将为物理层安全技术的实际应用提供理论理论依据和技术参考。