信息论框架下的无线网络协作安全传输模型与方法

The secure transmission in the information theory framework can resist the drawbacks of the traditional cryptographic approach and provide the everlasting secrecy, which has a lot of attractions. The cooperative secure transmission is important method to improve secrecy capacity and resist the eavesdroppers. This proposal focuses on the cooperation model and methods for secure transmission in wireless networks under the information theory framework. In order to meet the basic requirements of secure transmission, we research the secure model and the passive and active eavesdropper model in the physical layer, and reveal the basic characteristics and laws of information transmission in the physical layer. In order to improve the secrecy transmission capacity and resist the eavesdroppers, we research the cooperative secure transmission model and its analysis and design methods, and design the cooperative secure transmission protocol which can achieve the perfect security of information transmission. Considering security, reliability and node energy consumption, we analyze the proposed secure transmission protocol and research the optimal energy control methods. The problem of key negotiation difficulty in the traditional cryptographic approach is considered, the security and confidentiality method is researched, which combines the cryptographic approach and physical layer security method to achieve the secure and efficient transmission. We will get breakthrough in secrecy capacity analysis theories and methods in the information theory framework, cooperative secure transmission scheme in the physical layer and secure model combination, which will provide a theoretical and methodological support for the cooperative secure transmission in wireless networks.

信息论框架下的无线网络安全传输能够克服传统密码学安全机制的缺点，实现持久安全，受到广泛关注。协作安全传输是提高安全容量、抵抗偷听者的有效途径。本项目聚焦在信息论框架下的无线网络协作安全传输基础理论和方法。针对无线网络安全传输的基本需求，研究物理层的安全模型和被动/主动偷听者模型，揭示物理层信息安全传输的基本特征和规律；为了提高网络安全传输容量，阻止偷听者，研究协作安全传输模型及其分析设计方法，设计协作安全传输协议，实现信息传输的完美安全；结合安全性、可靠性和节点能量开销，分析设计的安全传输协议，研究优化的能量控制方法；针对传统密码学安全方法存在密钥协商困难的问题，研究将密码学和物理层安全相结合的安全保密方法，实现高效的信息安全传输。通过本项目的研究，预期在信息论框架下的安全容量分析理论和方法、物理层的协作安全传输模式以及安全模式融合方面取得突破，为无线网络协作安全传输提供理论和方法支撑。

针对无线网络安全传输的基本需求，本项目研究了信息论框架下的无线网络协作安全传输模型与方法，建立了信息论框架下的协作安全传输模式，为无线网络协作安全传输提供了理论和方法支撑。具体研究分为以下四个方面：.1、单跳网络场景研究.本项目从单跳网络研究出发，提出了两种传输模式，利用经典概率理论，推导了网络在可靠性和安全性条件限制下的成功传输概率，机密传输速率，传输中断概率以及安全中断概率，给出了网络规模确定情况下的精确解析解，为网络安全设计方案提供了精确的理论指导。.2、两跳网络场景研究.两跳网络是无线网络协作安全传输的基本场景，基于两跳网络场景，本项目设计了两跳安全传输协议，计算了网络窃听者容忍能力，网络安全中断概率等精确的安全参数；提出了三种中继选择机制(随机中继选择、最优中继选择、路损中继选择)，实现了信息传输的安全性和可靠性；基于路径损耗、信道增益、网络安全性及负载均衡等网络性能参数，分析了每种中继选择机制的优缺点，为不同的网络设计方案提供了理论指导。.3、多跳网络场景研究.多跳网络是无线网络协作安全传输的重要组成部分，基于多跳网络场景，本项目构建了多跳网络传输模型，模拟了网络传输过程，在考虑两种不同的中继转发机制（解码转发，放大转发）的情况下，计算了网络中每条链路的安全中断概率，提出了三种路由算法，并证明了所提出的路由算法可以同时保证网络的安全传输与服务质量。.4、大规模网络场景研究.本项目还研究了大规模无线网络中的协同干扰设计问题，构建了大规模网络干扰模型，利用拉普拉斯变换，推导出了网络安全中断概率上界和下界的精确表达式，提出了协同干扰设计方案，保证了在多合法节点，多窃听者条件下的网络安全通信，并给出了大量数值结果的证明。