无线缓存网络非正交多址接入的物理层安全通信研究

Non-orthogonal multiple access (NOMA) assisted wireless caching networks, which combine advantages of both NOMA and wireless caching techniques, can effectively enhance the spectral efficiency, increase the cache hit probability, and reduce the delay of user’s request, is emerging as a new frontier for future wireless communications. Focused on the secrecy issues of NOMA transmission in wireless caching networks, this project investigates physical layer security (PLS) techniques in three aspects as follows: 1) PLS of NOMA in wireless caching networks against external passive eavesdropping attacks. To combat the passive eavesdropper, a small-cell base station (SBS) scheduling with joint power and caching allocation strategy is proposed in this project. 2) PLS of NOMA in wireless caching networks against external proactive eavesdropping attacks. In particular, this project presents a SBS scheduling and cooperative jamming scheme to safeguard NOMA transmission against the proactive eavesdropper. 3) PLS of NOMA in wireless caching networks against internal passive eavesdropping attacks. To prevent the information leakage among NOMA users, a distributed secure beamforming with joint power and channel allocation is designed in this project. All the aforementioned research studies in this project can provide both theoretical and technical supports for the application of NOMA in wireless caching networks from the PLS perspective.

基于非正交多址接入(Non-orthogonal multiple access, NOMA)的无线缓存网络兼备NOMA技术和无线缓存技术的各自优势，可有效提高频谱效率、增加缓存命中率、降低用户请求时延，是未来无线通信的新方向。本项目针对无线缓存网络NOMA传输的信息安全问题，从三方面展开物理层安全技术的研究：1) 研究无线缓存网络外部被动窃听攻击下的NOMA物理层安全通信，提出基于微基站调度和功率/缓存分配的物理层保密传输方案。2) 研究无线缓存网络外部主动窃听攻击下的NOMA物理层安全通信，提出基于微基站调度和协作干扰的物理层保密传输方案。3) 研究无线缓存网络内部被动窃听攻击下的NOMA物理层安全通信，提出基于分布式保密波束赋型和联合功率/信道分配的物理层保密传输方案。本项目的研究为NOMA技术在无线缓存网络的应用提供了物理层安全方面的理论支撑和技术参考。

缓存辅助的非正交多址接入（NOMA）技术能够显著提高无线传输的频谱效率，是未来移动通信网络的关键技术之一。然而，由于无线信道的广播性和开放性，使得无线信息易于被非法接收者截获和窃听，造成严重的通信安全威胁。因此，保障通信安全成为了缓存辅助NOMA网络亟待解决的关键问题。本项目研究了面向强安全的NOMA物理层保密传输技术，分别开展了抵御NOMA网络外部非法窃听者的联合保密波束赋形机制、抵御NOMA网络内部非置信中继的自适应协作干扰机制、抵御NOMA网络外部非法监听者的隐蔽通信机制的研究工作，揭示了系统关键参数如信道信息、发射功率、节点天线数、用户数等影响系统性能的机理，提出了适配系统参数的资源优化算法，为NOMA技术在未来无线网络中的应用提供了物理层安全方面的理论依据和技术支撑。经过为期三年的努力工作，圆满完成了申请书的既定研究目标，共发表高水平SCI论文24篇，其中包括IEEE TWC、TIFS、TCOM、TVT等，EI论文9篇，申请发明专利6项。成果数量超过了申请书“在SCI/EI检索源及国际重要期刊、权威会议上发表相关学术论文8篇以上，其中发表SCI期刊论文6篇以上；申请国家发明专利6项”的预定目标。研究成果获得2021 IEEE/CIC ICCC最佳论文奖。项目较好的发挥了国家自然科学基金在人才培育方面的重要作用，依托本项目培养了博士研究生4名（1人已毕业），硕士研究生5名（2人已毕业）。项目执行期间，项目负责人担任了IEEE IoT-AHSNTC Newsletter和Frontiers in Computer Science期刊编委，以及IEEE VTC技术委员会成员、IEEE WCSP分会场主席。