基于协作转发和协作干扰的物理层安全技术研究

Security is one of the most important measurements of the communication systems. The broadcasting and mobility characters of the wireless communication systems bring up a huge challenge of their security. Recently, the development of the physical layer techniques and the uniqueness and reciprocity of the wireless channels give rise to the physical layer security research, which is currently an attractive research topic. In physical layer security, the cooperative jamming technique is a great break, since it turns the jamming signals into a positive factor of the system secrecy capacity and increases the behaviors of cooperative nodes. On the other hand, the cooperative communication technique has attained great improvement in the past ten years. In this program, we will investigate the combination of cooperative communication and physical layer security. The cooperative relaying and jamming schemes aimed to enhance the system secrecy capacity will be proposed. Adaptive relaying/jamming schemes of the cooperative nodes will also be investigated. The cooperative relaying/jamming schemes with partial channel state information will be an important part of this program since the perfect channel information related to the eavesdroppers is difficult to obtain.

安全性是衡量通信系统质量的重要指标之一，而无线通信系统的开放性和移动性等特征为其安全性带来了巨大的挑战。近年来，物理层传输技术的发展和无线传播信道的唯一性和互易性等特征推动了物理层安全技术研究的发展，使其逐渐成为研究界的热点问题。其中，协作干扰技术的提出是物理层安全技术研究中的一大突破，将干扰这一消极因素变为积极因素，丰富了通信实体的行为。另一方面，协作通信在过去的十数年间取得了长足的发展。本项目将研究协作通信和物理层安全技术的结合，研究以系统保密容量为设计和优化目标的协作中继和协作干扰技术，提出协作节点的"中继/干扰"自适应角色选择方案设计，提升无线协作通信系统的保密容量。此外，现实系统中较难获得完美的与窃听节点相关的信道状态信息，因此，本项目将重点研究部分信道状态信息下的协作中继和协作干扰方案设计。

近年来，物理层安全技术成为研究界的热点问题，而协作干扰技术的提出是其研究中的一大突破。另一方面，协作通信技术在过去的十几年间经历了迅速的发展。本课题结合了协作通信技术和物理层安全技术的优势，研究以系统保密容量为优化目标的协作中继和协作干扰技术。并考虑现实通信系统中的合理化假设，研究基于非完美信道状态信息的物理层安全技术方案设计。.本课题的研究内容可以归纳为以下几个方面：.1..提出了单向多中继窃听系统中基于部分信道状态信息的协作中继技术方案。在现实通信系统中，中继节点获取与窃听节点相关的完整的信道状态信息是很困难的。研究了3种部分信道状态信息的可能，分别提出了相应的协作中继技术方案。.2..提出了双向单中继窃听系统中的协作中继技术和协作干扰技术方案。本课题假设了多种双向中继窃听系统模型，包括3节点和4节点双向中继系统，双向传输协议包含3阶段协议和4阶段传输协议。针对协作干扰信号也进行了不同的假设，包含代表理想情况的源节点已知协作干扰信号和代表现实情况的源节点相互不知协作干扰信号。针对节点的天线数量，考虑了所有节点单天线，源节点多天线中继节点单天线和所有节点多天线等多种情况。关于信道状态信息获取程度，包含理想信道状态信息假设和部分信道状态信息假设。在上述各种不同系统中，基于不同条件假设，提出了多种协作干扰技术方案，有效提升了系统保密容量，在某些极端场景下实现了安全通信的可能。.3..在4节点双向中继窃听系统中，当所有节点均有多天线，假设在合法节点完全没有窃听节点的任何信道状态信息时，提出了另一种物理层安全的提升方法，即通过设计源节点的预编码矢量，提高等效窃听信道的条件数，破坏窃听节点的接收性能，为物理层安全技术开辟了新的思路。.课题执行过程中共发表论文17篇，其中SCI5篇，申请专利3项。