无线双向信道下的物理层安全理论与传输方法研究

Physical-Layer Security exploits the inherent randomness of the physical medium (including noises and channel fluctuations due to fading) to limit the amount of information that can be extracted at the 'bit' level by an unauthorized receiver. it's a hot topic in the domain of wireless communication security. Under the backgrounds of the rapid development for the technology of co-time co-frequency full-duplex,and the insufficient for the research of physical-layer security in wireless two-way communications channels, the project develops the theories and transmission techniques for physical-layer security in wireless two-way communications channels, and the main points of the project are as follows: 1) the analysis of achievable secrecy rate regions for wireless two-way wire-tap and two-way relay wire-tap channels using two-way coding scheme with channel distribution based on the theories of two-way communication channel and information-theoretic security; 2) the proposed transmission techniques for security based on artificial noise with joint transmitter-receiver and based on transmit antenna selection with low complexity in wireless two-way communications channels; 3) the experiment of transmission techniques for physical-layer security in wireless two-way communications channels on the test platform of co-time co-frequency full-duplex. The project research conclutions could not only deepen the theories of information-theoretic security, but also could expand the applications of physical-layer security for two-way communications channels, and it has a positive and vital significance for physical-layer security technology, which is based on the characteristics of channel.

物理层安全利用传输链路的动态物理特性，提供安全可量化、无需密钥共享的防窃听安全机制，是当前无线通信安全领域研究的热点。针对实用化双向通信技术- - 同时同频全双工快速发展和双向信道下的物理层安全研究不足的背景，本项目开展无线双向信道下的物理层安全理论和传输方法研究。通过联合信道分布的双向编码方案，利用双向信道理论和信息论安全理论，分析双向窃听信道和双向中继窃听信道的可达安全速率域和安全容量；在理论分析基础上，通过联合发送-接收端的人工噪声技术和基于天线选择、协同干扰的安全策略，利用博弈论和优化理论，探寻多种双向窃听信道场景下的最优物理层安全传输方法；在搭建同时同频全双工试验平台基础上，进行无线双向信道下的低复杂度物理层安全传输方法验证。本项目研究成果，不仅能深化双向信道下的物理层安全理论，而且能拓展双向信道下的物理层安全传输方法，对基于信道特征的无线物理层安全研究和应用具有积极而重要的意义。

本项目结合同频全双工、缓冲辅助中继、认知无线电等传输性能增强新方法，研究可扩大主信道与窃听信道之间的传输容量差、进一步提高可达安全速率的物理层安全增强传输方法，研究内容和贡献主要包括以下几方面：1、提出一种混合的物理层安全策略TAS-rAN下双向窃听信道可达安全速率域求解方法。利用天线选择技术，选取能使合法接收方接收信噪比最大的天线，发送保密消息；其次，利用有同频全双工能力的接收端，在接收到消息的同时发送人工噪声来扰乱窃听方对保密消息的窃听。2、针对如何增强基于发送天线选择技术的物理层安全传输方法性能的问题，将人工噪声辅助技术应用到TAS物理层安全传输系统中，提出了基于发端人工噪声的TAS物理层安全传输方法。3、结合人工噪声辅助安全技术，研究了基于收端人工噪声的TAS物理层安全传输方法，提出了TAS-rAN物理层安全传输策略。4、研究了基于同频全双工中继的协作物理层安全传输方法。包括：a）在全双工单中继下，分析了基于全双工干扰中继的协作物理层安全策略的性能；b）在全双工多中继下，提出了基于机会全双工干扰中继的协作物理层安全策略。5、针对认知无线电系统中单跳直传主用户网络的安全传输问题，提出了基于接收端多天线合并的物理层安全传输方案，研究了次用户发端与窃听方不同相对位置下，次用户通信对主用户网络安全传输性能的影响。6、针对窃听节点具备无线携能通信功能时，单跳直传次用户网络的安全传输问题，建立了携能窃听环境下次用户网络安全传输性能分析的理论框架，推导了次用户发射功率在不同程度的“干扰温度”门限约束下安全中断概率解析表达式。7、针对协同传输场景下，主用户网络的安全传输问题，提出了基于缓冲中继辅助的主用户协同传输网络物理层安全传输方法，构建了单缓冲中继辅助条件下，认知网络物理层安全传输性能分析的理论框架，推导了主用户协同传输链路的安全中断概率表达式。8、针对协同传输场景下，次用户网络的物理层安全问题，结合缓冲中继辅助技术，提出了基于MRLS策略的次用户协同传输网络的物理层安全方案，建立了多缓冲中继辅助条件下，次用户传输性能分析的理论框架，推导了缓冲中继辅助下，次用户传输链路的安全中断概率表达式。9、以USRP作为通用平台实现试验平台搭建和验证，采用可编辑的Labview软件进行无线信号的设计。提出了基于人工噪声和数字自干扰抵消的物理层安全传输方案。