中继系统最优物理层安全波形关键技术研究

In wireless relay communications, physical-layer security provides a way to prevent eavesdropping from an information theoretic perspective. For point-to-point communication scenario, the optimal secure transmit signal has been reported in the existing literature. However, for the relay case, there is no report on the optimal secure transmit signal design. As such, this project aims to address the optimal transmit signal design problem. ..In particular, this project will study the internal mechanism of relay secrecy, and establish a jointly optimal confidential signal design rule among the source, relay and the desired receiver. Also, by analyzing the effects of channel estimation errors (CEEs) on relay secrecy performance, this project aims to establish an optimal robust design rule that can minimize the adverse effects of CEEs. Finally, by exploring distributed optimization techniques, this project aims for a distributed optimal signal design rule in a multi-antenna relay system...The research outputs of this project provide a design guideline for other related wireless communication systems with security concerns, e.g., mobile communication networks, broadband radio access networks, military data links, the internet of things..

无线中继通信的物理层安全技术，从信息论的角度，阻断了源到目标传播过程中的窃听企图。然而，现有的相关研究，只给出了点到点无线通信最优物理层安全波形设计准则，无线中继通信系统的最优物理层安全波形是什么，未见文献报道，这正是本项目拟解决的问题。.　　本项目研究多天线中继通信物理层安全的内在机理，建立源、中继、目标归一化联合最优的安全波形准则。分析信道估计误差对中继安全性能的影响，给出信道估计误差影响最小化的联合最优安全波形。研究多天线中继场景分布式安全波形实现算法，探寻分布式联合最优安全波形的设计机理。.　　本项目研究成果，对提高移动通信网、宽带无线接入网、军用数据链、物联网等无线通系统的物理层安全设计，具有理论指导意义。

在中继通信系统中，由于源和目标无法直接通信，所有信息需要由中继节点来辅助转发。在中继转发过程中，窃听者可以通过对信源或中继转发的信号中获得保密信息，因此，与传统点对点保密通信相比，中继通信中面临更大的信息泄露风险。为解决中继通信中的物理层安全问题，本项目考虑利用多天线技术，在信源、中继和目标用户处联合设计信号发射和接收策略，实现信息在源-中继-目标的保密传输。具体而言，本项目主要从以下几个方面展开了研究：1、理想信道信息场景下，源、中继和目标的联合最优安全波形设计；2、非理想信道信息场景下的鲁棒化安全波形设计；3、分布式中继系统中的波形设计；4、全双工双向中继系统中的安全波形设计。针对以上研究内容，主要取得了如下研究成果：1、提出了一种随机化的放大转发信号设计方法，并从理论上证明该方法较传统基于特征值分解或迫零转发算法相比，能达到更高的通信速率。2、针对有界信道误差模型和分布函数模糊信道误差模型，分布提出了相应的鲁棒化波形设计方法。其中，具有对抗分布函数误差的中继保密波形设计的论文获得“2016 IEEE PIMRC最佳论文奖”。3、提出了利用交叠拉格朗日乘子法和连续凸逼近的分布式波形设计算法。该算法具有并行、分布式计算的优点，能有效降低运算复杂度。4、针对全双工双向中继系统，提出了基于Alamouti编码的秩-2保密波形设计算法，该算法较传统半双工中继和秩-1保密波形设计方法，能有效提升保密传输速率。以上结果从理论层面验证了物理层安全技术在中继保密通信中的可行性，为物理层安全技术在中继通信中的应用奠定了理论基础。同时，该研究成果对动通信网、军用数据链、物联网等无线通系统的物理层安全设计也有指导意义。