非理想条件下协同无线网络物理层安全理论与方法研究

Physical layer security techniques provide a new perspective to solve the security problem in cooperative wireless network. This proposal studies information theory，signal processing，resource management of physical layer security in cooperative wireless networks under such imperfect conditions as imperfect channel state information (CSI), finite-alphabet input source, and no knowledge of the location of the eavesdroppers. Under the guidance of these results, communication signal processing and radio resource management methods are investigated to enhance the physical layer security. Under the assumption of imperfect CSI, we propose a robust precoding and jamming design as well as corresponding distributed algorithms based on the worst-case optimization and the probability-constrained approaches. Considering finite-alphabet input, corresponding precoding schemes are designed based on the nonlinear and nonconvex connection between the secrecy mutual information and the precoding matrices. When the locations of the eavesdroppers are unknown, we use stochastic geometry to model the locations of eavesdroppers, then study the secrecy guard zone and adjust the transmit probability of the transmitter to obtain better security performance. Furthermore, under the conditions of nonideal information exchange between nodes, we develop a stochastic game based cooperative mode optimization scheme and a Pareto optimal auction based joint resource management algorithm.

物理层安全技术为保障协同无线网络信息安全提供了新的思路。本项目拟在非理想信道状态信息、非高斯信源、未知窃听节点位置等非理想条件下，深入研究协同无线网络中物理层安全信息理论，分析安全容量、安全中断和安全吞吐量等性能，在此指导下，探寻增强物理层安全性能的通信信号处理和无线资源管理方法。在非理想信道状态信息条件下，提出基于最坏情况优化与基于概率约束的鲁棒预编码与人工干扰方案；在有限字符集信源条件下，构建安全互信息量与预编码矩阵的非凸非单调关系，设计与之相匹配的源-中继联合预编码方案。运用随机几何建模窃听节点位置未知场景，提出最小化安全保护域方案和合理的节点发送概率调整方法来提升安全性能。进一步地，在节点间信息交互非理想条件下，设计基于随机博弈的中继协作方式优化方案以及基于拍卖的帕累托最优联合节点选择与功率分配方案，以改善协同无线网络安全性能。

近年来，物理层安全技术为保障协同无线网络的信息安全提供了新的思路。本项目在非理想信道状态信息、非高斯信源、未知窃听节点位置等非理想条件下，深入研究了协同无线网络中物理层安全信息理论，分析了安全容量、安全中断和安全吞吐量等性能。在此指导下，探讨了增强物理层安全性能的通信信号处理和无线资源管理方法。在非理想信道状态信息条件下，本课题提出了基于最坏情况优化与基于概率约束的鲁棒预编码方案；在有限字符集信源条件下，构建了安全互信息量与预编码矩阵的关系，设计了与之相匹配的协同预编码安全算法；在节点间信息交互非理想条件下，设计了基于随机博弈理论和拍卖理论的无线资源管理方案。. 经过课题组的齐心协力和刻苦攻关，本课题在IEEE Journal on Selected Areas in Communications、IEEE Transactions on Vehicular Technology等顶级期刊和IEEE ICC等顶级国际会议上共发表论文73篇，其中SCI检索38篇，EI检索30篇；申请国家发明专利7项，获得授权3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、12次相关学术讲座，组织人员参加国内外重要的学术会议24人/次；培养了研究生20名。本课题的创新性研究为解决制约协同通信信息安全发展的若干瓶颈问题提供了理论依据和技术解决方案。