面向窄带物联网的物理层安全技术研究

The security issue has become a significant bottleneck in the development of Narrow-Band Internet of Things (NB-IoT). The characteristics of NB-IoT nodes, e.g., large quantity, random location, weak computing power, limited energy and feedback resource, raise new challenges to the secure wireless transmission technology. To fully explore the potential benefits of physical layer security on low complexity, high energy efficiency, and small feedback requirement, this project aims to investigate the physical layer security technologies for the NB-IoT, Specifically, considering the location and number uncertainty of NB-IoT nodes, this project first adopts stochastic geometry to model the various eavesdropping scenarios, and establishes an evaluation system for security analysis. Second, to satisfy the low-complexity requirement, this project uses the ARQ and On-Off schemes for the fixed-rate secure transmission design in the NB-IoT. For the purpose of increasing energy efficiency, this project proposes a multi-step iteration algorithm to maximize the secure energy efficiency of the designed transmission schemes, via obtaining the tradeoff between the reliability and security. Moreover, to satisfy the low-feedback-resource requirement of the NB-IoT, this project takes advantages of the Markov chain existing in the channels, and proposes two feedback control strategies, e.g., dynamic feedback and periodic feedback, to compensate the secrecy performance loss caused by the reduction of feedback resource.

窄带物联网中无线传输的安全性难题是制约其发展的重要瓶颈，网络节点数量大、位置随机、计算能力弱、能量和反馈开销受限的特点对安全无线传输技术提出了新的挑战。本项目拟挖掘物理层安全技术在轻量级、高能效、低反馈开销等方面的潜在优势，开展面向窄带物联网物理层安全技术研究，具体包括：1）针对窄带物联网节点位置随机性和数量不确定性特点，采用随机几何理论建模多样化窃听场景，建立窄带物联网下物理层安全传输理论和性能评估体系；2）为满足窄带物联网节点的低复杂度要求，分别采用ARQ机制和On-Off机制设计固定安全编码速率的物理层安全传输方案；3）为满足窄带物联网的高能效要求，设计多参数分步优化的迭代算法，对传输方案的可靠性和安全性进行折衷，保证方案的安全能效性能最大化；4）为满足窄带物联网的低反馈开销要求，基于信道的马尔科夫特性，提出动态反馈和周期反馈两种反馈控制策略，补偿反馈开销降低带来的安全传输性能损失。

近年来，随着新兴应用的不断普及，窄带物联网中的无线传输安全性问题日益突出，成为制约窄带物联网发展的重要瓶颈。窄带物联网节点数量大、位置随机、计算能力弱、能量和反馈受限的特点对传统无线安全传输技术提出新的挑战。本项目挖掘物理层安全技术在轻量级、高能效、低反馈开销等方面的潜在优势，深入探讨了窄带物联网中物理层安全的理论分析方法、传输方案设计和无线资源分配等问题。基于项目计划书，本项目在窄带物联网节点数量和位置不确定的条件下，采用随机几何理论建模多样化窃听场景，构建物理层安全性能评估体系；在发端未知和已知主链路信道状态信息的情况下，分别设计了基于ARQ机制和On-Off机制的安全传输方案，并通过优化资源分配等手段改善了网络的能效性；为满足窄带物联网的低反馈开销要求，设计了动态反馈和周期反馈两种反馈控制策略，在保证安全传输性能的前提下，有效压缩反馈开销。此外，本项目对隐蔽通信等一些新兴安全热点问题也进行了初步研究，并取得了若干有价值的研究成果。.经过课题组的不断探索和深入研究，本课题在IEEE Journal on Selected Areas in Communications、IEEE Transactions on Communications和IEEE Internet of Things Journal等顶级期刊和IEEE ICC等顶级国际会议上共发表论文43篇，其中SCI检索22篇，EI检索20篇；申请国家发明专利8项，获得授权4项。项目执行期间，组织主办了1次国际学术会议专题讨论会、4次相关学术讲座，组织人员参加国内外重要的学术会议15人/次；培养了研究生15名。本课题的创新性研究成果为解决制约窄带物联网物理层安全的若干瓶颈问题提供了理论依据和技术解决方案。