面向下一代无线网络的多维度物理层安全绿色通信系统研究

A multi-tiered heterogeneous networking architecture for future mobile communication systems is aimed for wirelessly transporting a large amount of data for its modularity, flexibility and scalability. Grand challenges exist to secure big data in wireless transmission systems due to the broadcast nature of the underlying communication channel as well as diversified and dynamic properties of users. It is well-known that cooperative jamming based physical layer security can be employed to prevent eavesdroppers from obtaining legitimate signals. Yet, existing works on this issue do not introduce network layer transport protocols and node attributes into the system-level security strategies design. Accordingly, in order to achieve the system-level performance, we suggest designing and optimizing novel cooperative jamming strategies for future wireless mobile communication networks. Our proposed research is summarized by the following four thrusts: (1) to design novel cooperative jamming strategies to improve secure requirements in multi-user multi-tiered heterogeneous networks with massive Multiple-Input Multiple-Output and Non-Orthogonal Multiple Access; (2) to analyze secure performance based on the trust degree of cooperative jamming nodes and to design incentive mechanisms to cope with untrusted cooperative jamming; (3) to formulate packet context-aware intermittent jamming strategies based on network layer transport protocols; (4) to design novel physical layer security strategies to handle collusive eavesdroppers with completely unknown channel state information of eavesdroppers.

作为未来无线移动通信系统的典型架构，分层异构网络以其模块化、灵活性和可扩展性等特点，适应着未来移动大数据与智慧网络不断增长的需求。由于无线移动网络的传输开放性和接入用户的多样性与动态性，数据安全传输问题应运而生。研究者引入了合作干扰应对窃听者截取数据。但当前研究并未将网络层传输协议及节点属性等引入系统级的安全策略设计。基于此，课题组认为有必要针对未来无线移动通信网络大规模数据传输的安全问题，设计相应的合作干扰策略，满足系统级物理层安全性能指标。具体来说包括：（1）针对大规模MIMO和非正交多址等技术，设计满足异构网跨层次多用户场景的合作干扰安全传输策略；（2）基于合作干扰节点可信度，分析物理层安全性能，设计激励机制满足网络安全需求；（3）根据网络层传输协议，制定基于分组内容的间歇性干扰策略；（4）考虑窃听者信道状态信息完全未知的假设，分析共谋窃听情况的安全性并设计相应的合作干扰策略。

瞄准未来无线移动通信系统，尤其是移动大数据与智慧物联网不断增长的需求，重点研究多层次异构网络的大规模数据安全传输问题。项目组在分析无线信道特征的基础上，从下一代无线新技术、节点属性、窃听者信道状态可用性、系统功率受限等多方面分析并设计该网络物理层安全传输策略。基于此，项目组进一步开展了安全接入认证和通算一体化的拓展研究，给出了物理层安全传输机制在实施方面的可行应用。.项目开展的具体工作包括：.（1）为了充分了解毫米波信道的特征，充分利用大规模天线阵列，为后续物理层安全传输、接入认证与隐私保护等方法的研究奠定基础，分析毫米波信道特征并构建相应的信道估计模型，设计了面向毫米波通信的信道估计方法和面向导频欺骗攻击的信道状态信息恢复。.（2）在提取并分析节点社交属性的基础上，量化社交关系，设计了基于社交属性的可信干扰节点选取方法，给出了基于社交关系的跨层协作干扰策略，实现了“应用层-物理链路层”的跨层通信级信号安全传输方法。.（3）探讨了间歇协作干扰方案的可行性，创新地提出了（时隙性和非时隙性）间歇性协作干扰方案的跨层设计，利用网络层协议控制友好干扰信号的发送，在保证与连续干扰策略具备相同安全性的同时提高系统能效性。.（4）针对移动窃听问题，提出了基于移动友好干扰器的合作干扰物理层安全传输方法和友好干扰器切换机制，实现了区域性的物理层安全。.（5）提出了面向安全组网的多属性物理层认证方法，作为实施物理层安全传输的第一道防线；提出了一系列面向智慧物联应用的安全通算一体化方法，形成物理层安全传输的典型应用。.围绕课题研究，在国内外期刊会议发表学术论文27篇(SCI检索论文17篇)，申请发明专利授权8项（已授权5项）。通过以上研究，力求在典型无线通信系统中应用物理层安全传输机制，作为传统安全方法的有益补充，提升网络的安全性。