面向多址MIMO的协作干扰策略研究

MIMO has been projected to be widely adopted by future wireless communications due to the significantly enhanced channel capacity. However, the wireless signal can be easily intercepted by eavesdroppers because of the open wireless environment and the multi-antenna communications. It is well-known that physical layer security can be employed by physical layer technologies to prevent eavesdroppers from obtaining the legitimate signals. Nevertheless, existing works on physical layer security based on cooperative jamming do not take into account the time cost of jammer selection and the power consumption of jammers. Accordingly, we suggest optimizing the current strategies on physical layer security, and design novel cooperative jamming strategies for MIMO networks, so as to achieve the corresponding secrecy performance. Our proposed research is summarized by the following three thrusts: (1) to search and quickly select cooperative jammer(s) that can effectively interfere with the eavesdroppers to reduce the computational complexity and observation delay introduced during the candidate jammer selection process; (2) to handle the scheduling of various jamming signals to improve the jamming efficiency and secrecy performance for the purpose of achieving the smart cooperative jamming based on different multiplexing modes; and (3) to design novel physical layer security strategies based on the inter-user interference, so as to stop the eavesdroppers from wiretaping information while ensuring the accurate decoding at the legitimate receivers.

MIMO以其极大提升信道容量的优势，以期在未来无线通信中可得到广泛应用，但由于开放的无线环境以及多天线发射信号，导致无线信号极易被窃听者截取。研究者提出的物理层安全技术，可使得非法接收者无法获知通信内容。但当前基于协作干扰的物理层安全问题的研究，并未考虑干扰器选择的时间成本以及干扰源功率消耗等。基于此，课题组认为有必要优化当前的物理层安全技术，针对广泛应用的MIMO技术，设计协作干扰策略，达到物理层安全的各项性能指标。具体来说：（1）寻找并快速选择能够对窃听者实现有效干扰的单个或多个合作干扰源，解决候选节点选择过程中所引入的复杂计算量与观测时延问题；（2）解决不同时隙、多种传输模式下的干扰信号的合理调度，获得干扰效率和保密性能的提升，实现基于时分或频分的智慧协同干扰；（3）设计基于用户间干扰的物理层安全策略，在确保合法接收者正常解码信号的同时，使得窃听者无法获得网络信息。

MIMO应用于5G通信以提高网络吞吐量，但是潜在的安全问题严重影响着MIMO技术在大规模无线通信网络中的应用。此外，5G无线网络的广泛应用对网络的性能提出更高的要求，如高吞吐量、低时延、高可靠性等。本项目致力于提高无线网络的物理层安全、网络服务质量以及提高数据安全与隐私保护能力。主要研究结果如下：1.针对干扰源选择问题，提出了基于多窃听信道统计信息的中继与干扰源选择策略。对于固定传输距离模型，引入了干扰源选择方案来提高保密传输能力；2.对保证无线通信安全的物理层干扰策略进行了全面的梳理研究，从三个不同的角度对干扰策略进行了分类，并解释了不同场景下的主要相关设计；3.针对干扰信号的调度问题，分别提出了Rayleigh衰落信道下基于SINR干扰模型的分布式最短链路调度算法和最大链路调度算法，为干扰局部化的分布式算法设计提供了新的设计思路；4. 针对频谱资源的分配与调度问题，提出了满足5G网络动态频谱接入的频谱预测方法，并且提出了一种用于上行链路认知无线电网络的动态频谱接入方法；5.针对提高MIMO系统吞吐量问题，提出了一种波束成形优化方法，还提出了一种基于深度学习与信号预编码和后处理的抗干扰方法；6.针对提高MIMO系统安全性问题，提出了一种基于多窃听信道统计信息的中继与协作干扰源选择策略，并且分析了合法节点和窃听者服从泊松点过程分布的无线网络保密传输容量，推导出了连接中断概率和保密中断概率的界。在完成本项目的研究目标的基础上，分别研究网络层拓扑结构和应用层数据安全与隐私保护等问题，并取得了一系列的研究成果。基于本项目共发表论文70篇，其中SCI检索期刊论文50篇，在CCF A类期刊发表论文8篇，在CCF A类会议IEEE INFOCOM上发表论文3篇，CCF B类会议ICDCS上发表论文2篇。获得山东省自然科学二等奖1项、山东省高校科学技术一等奖1项。