非正交多址接入无线网络的物理层安全优化设计

Physical layer security can provide an efficient, reliable and low complexity solution for the information security of non-orthogonal multiple access (NOMA) wireless networks. However, the existing physical layer security strategies do not fully consider the specific mode of information transmission and the actual network conditions, and thus their performance are severely limited. In order to effectively improve the physical layer security performance of NOMA wireless networks, this project starts with the sending end and studies on the security enhancement scheme using nonlinear precoding and designs the optimization algorithm for precoding matrices. Then we introduce the relaying node with caching to the middle layer and optimize the dynamic length of the cache. At the receiving end, we consider imperfect channel state information and establish the robust secrecy rate optimization problem and design an effective robust optimization algorithm. Finally, we jointly optimize the sending end, middle layer and receiving end to improve the physical layer security performance of the network as a whole. This project, whose research content is the basic and key problem of physical layer security for the NOMA wireless network, is a new frontier in the field of wireless networks, and has important theoretical significance and higher academic application values.

物理层安全能为非正交多址接入（NOMA）无线网络的信息安全提供高效、可靠、低复杂度的解决方法。然而，现有的物理层安全策略没有充分考虑信息传输的特定方式及实际的网络条件，其安全性能严重受限。为了有效提升NOMA无线网络的物理层安全性能，本项目首先从信息发送端入手，研究采用非线性预编码的安全增强方案并设计优化预编码矩阵的优化算法；然后在中间层引入具有缓存区的中继节点，优化缓存区的动态长度；接着在接收端考虑非理想的信道状态信息条件，建立鲁棒的安全速率优化问题并设计有效的鲁棒优化算法；最后，联合发送端、中间层和接收端进行优化设计，从整体上提高网络的物理层安全性能。本项目属于无线网络领域前沿性的新课题，研究内容都是NOMA无线网络物理层信息安全方面的基础性和关键性的问题，具有重要的理论意义、较高的学术价值和较大的应用价值。

非正交多址接入技术由于能显著提高无线通信网络的频谱效率，成为了组成未来无线通信网络的关键技术之一。但由于无线信号的开放性和广播性，使得无线信息很容易被非法接收者进行截获和窃听。因此，信息安全保障成为了非正交多址接入无线网络的关键问题。本项目采取从整体到局部、再从局部到整体的思路来研究非正交多址接入无线网络的物理层安全优化设计。首先，从整体到局部。本项目把非正交多址接入无线网络的物理层分成发送端、中间层、接收端三个部分，其中发送端由信息发送者构成，中间层由中继节点构成，接收端由信息接收者（包括合法用户和窃听者）构成。针对每个部分在实际应用中存在的问题，提出相应的安全方案，建立相应的理论模型并设计高效可靠的优化算法。对这三部分的具体研究内容有：一、对发送端信号的叠加采用预编码技术，对预编码矩阵进行优化，建立求解非凸优化问题的新算法，最大化网络的安全速率。二、在中间层引入中继节点，以最大化网络的安全速率为目标，对中继节点的发射策略进行优化，创建求解非凸或随机优化问题的新方法。三、在接收端考虑非理想的信道状态信息（CSI），利用最差情况准则对非理想的CSI进行建模，构建相应的鲁棒安全速率最大化问题并开发求解鲁棒优化问题的新技术。然后，从局部到整体。把非正交多址接入无线网络的物理层中发送端、中间层、接收端这三部分的优化设计方案有机融合起来，从整体上提高非正交多址接入无线网络的物理层安全性能。在项目执行期间，我们在业界公认的国际顶级或重要科技期刊上发表SCI学术论文20篇，其中JCR-Q1区论文13篇，ESI高被引论文2篇；申请专利2项；培养研究生3名。此外，申请人在项目执行期间还担任了SCI期刊mobile information systems的编委（editor）。