面向无线随机网络中多节点协作的物理层保密传输研究

In wireless stochastic networks with high dynamics and randomness, lacking of infrastructure support, and requiring quick deployment and response, physical layer security approach plays a significant role in reducing the risk of confidential information leakage and enhancing the secrecy of wireless communications. Due to the constraints of size and power limitation, wireless terminals in the network could equip with only a single antenna, which raises a severe bottleneck and challenge to the secrecy transmission. To handle this, in this proposal we propose physical layer secrecy transmission technology based on multiple nodes cooperation for the terminals in wireless stochastic networks. Different from the existing researches, our work will take full considerations of the random locations of the network nodes and the resulted asynchronous dynamical interference. We propose multi-node cooperation strategies and the design and optimization of cooperative signals, to enhance the security of wireless transmissions. Based on the mathematical framework of stochastic geometry, we will model the spatial distribution of network nodes, and analyze the probability characteristics of the asynchronous random interference in the network, and do the following researches: 1) Propose multi-node selection strategies based on spatial regions and analyze the security enhancement; 2) Propose secrecy cooperation strategies under asynchronous random interference; 3) Propose design and optimization of distributed cooperative secrecy signals with low overhead; 4) Analyze the effect of “pilot contamination” to the transmission security, and take robust design of cooperation strategies and signals. All these researches will greatly enhance the transmission security of wireless stochastic networks.

在缺乏固定基础设施支持、具有高度随机性和动态性、需要快速部署和响应的无线随机网络中，物理层安全技术对于降低信息被窃听的风险，加强无线通信的保密性具有重要意义。为了克服受体积、功耗等制约，网络中无线终端仅能配置单天线造成的通信保密性瓶颈，提出面向无线随机网络中多节点协作的无线物理层保密传输思想。不同于已有的研究，本项目在充分考虑网络节点空间位置分布的随机性及其造成的异步动态网络干扰的前提下，通过多节点协作策略和协作保密信号的设计和优化，提高无线通信的保密性。在利用随机几何数学工具对网络节点分布进行建模的基础上，分析异步动态网络干扰的概率特性，研究：1）随机网络基于空间区域的多协作节点选择和安全增益；2）异步随机干扰下的保密传输协作策略；3）分布式低开销保密协作信号设计和优化；4）异步随机网络干扰造成的“导频污染”对保密性能的影响，以及协作策略和信号的鲁棒性设计，保障无线随机网络的物理层安全。

在缺乏固定基础设施支持、具有高度随机性和动态性、需要快速部署和响应的无线随机网络中，物理层安全技术对于降低信息被窃听的风险、加强无线通信的保密性具有重要意义。为了克服受体积、功耗等制约，网络中无线终端仅能配置单天线造成的通信保密性瓶颈，提出面向无线随机网络中多节点协作的无线物理层保密传输思想。本项研究在充分考虑网络节点空间位置分布的随机性及其造成的异步动态网络干扰的前提下，通过多节点协作策略和协作保密信号的设计和优化，提高无线通信的保密性，取得了如下成果：1. 在多协作节点选择准则和性能分析方面，利用簇泊松过程建模随机网络分布并进行安全性能分析，利用社交信息构建节点选择机制，进一步对多跳安全传输的性能进行分析和优化；2. 在网络随机干扰下物理层保密传输协作策略研究方面，提出了一种混合全双工/半双工接收机部署策略来保障物理层安全传输，以及适用于增强D2D安全性能的自适应切换全双工/半双工工作模式的干扰接收机；3. 在保密协作信号设计和优化方面，在导频污染的情况下采用随机几何方法研究人工噪声对目标小区中用户可靠性和安全性的影响，给出了目标小区的平均连接中断概率以及其蜂窝用户的保密中断概率的解析结果。进一步面向超可靠低延迟服务的5G新场景，提出短包通信及其相应的信号设计，得到在单/多天线接入点情况下的保密吞吐量的闭式近似结果；4. 针对信道信息误差甚至恶意攻击者发起主动攻击扰乱信道估计的问题，提出了一种适用于多天线基站的基于随机信道训练的安全下行传输框架，与传统的信道训练方案相比，该方案的保密性能有了很大的提高；5.最后，拓展研究了近年来的新应用——无人机随机网络场景下的协作物理层安全，设计多种有效方案，优化安全用户保密速率性能的公平性以及最大安全容量。项目成果体系很好地解决了面向无线随机网络中多节点协作的无线物理层保密通信难题，在工业、民用和军用物联网应用中具有良好的安全服务潜力。