基于博弈的物理层安全组网技术研究

Nowadays, the research of physical layer security mainly focuses on the study of the point-to-point communication model. When the network nodes are dependent on or adverse to each other, the traditional ways to ensure physical layer security cannot guarantee the system security and the service quality. Based on the game theory, this project puts forward some specific physical layer security policies and networking methods to maximize the system security rate. The project mainly studies three aspects. First, considering the greedy behavior of the communication nodes, some secure networking methods are studied for the system whose senders are relays for each other. Second, to solve the mutual interference problem among multi-source and multi-destination nodes, some secure networking methods are studied using the cognitive game theory. Third, to deal with the interference and the attack made by the malicious nodes, some effective networking methods are studied based on physical layers security. Through this study, the research methods for the point-to-point physical layer security can be applied in the wireless network, which will certainly play an important role in the future wireless network security application.

目前，物理层安全主要侧重于研究点对点的通信模型，当网络节点相互具有依赖或者对抗关系时，传统的物理层安全方法将无法保证系统的安全性和服务质量。本项目引入博弈论的思想，提出有针对性的物理层安全策略和组网方式，从而最大化系统的安全速率。项目着重研究三个方面的问题：一是针对通信节点的贪婪行为，研究多个发送方互为中继的物理层安全组网方法；二是针对多源多目的节点相互干扰的问题，利用认知博弈的思想，研究物理层安全组网方法；三是针对网络中恶意节点干扰和攻击的情形，研究有效的物理层安全组网方法。通过本项目的研究，可将目前针对点对点的物理层安全方法研究成果应用于无线网络，必将在未来的无线网络安全应用中发挥重要作用。

无线网络具有的拓扑随机化、干扰多源化、多层异构组网、节点自私性、以及窃听者攻击多样化等特点导致无线网络存在严重的安全隐患。物理层安全组网技术基于合法信道和窃听信道的差异性，利用博弈论、最优化理论等新型分析工具，刻画通信节点间的物理层安全关系。在此基础上，针对无线网络拓扑结构、安全威胁特点、以及节点特性，设计了适配的协作组网传输方案，为合法用户构造优势通信条件，提升系统的安全性能。具体工作包括：.1.针对通信节点的贪婪行为，面向无线自组织网研究了多个发送方互为中继的物理层安全组网方法。分析了中继节点的自私性和非友好行为对组网安全性能的影响，设计了基于两次报价博弈机制的安全中继选择方法、基于博弈机制的非友好中继选择方法，以及一种基于演化博弈机制的物理层安全协作方法。.2.针对多源多目的节点相互干扰的问题，面向典型蜂窝网络和D2D蜂窝网络两种场景研究了物理层安全组网技术。针对蜂窝网络上行链路、下行链路和D2D链路的组网特点和安全需求，分别设计基于协作的物理层安全传输方案，利用博弈分析工具和最优化理论设计最优的系统参数，通过开发蜂窝网络的多天线资源和通信节点间的协作资源，利用链路间的有害干扰，恶化窃听者的接收信号质量，提出了增强合法用户安全性能的物理层安全组网方法。.3.在对抗主动窃听者的物理层安全组网技术研究方面，定量地分析了恶意干扰对系统安全性能的影响，并分别针对主动窃听者的导频干扰、相关干扰和全双工干扰问题，提出了有效的物理层安全组网算法。.4.在针对信道估计误差等非理想信道情况下的物理层安全组网技术研究方面，建立了异构蜂窝网估计误差的分析模型，并在此基础上设计了信道估计不准确条件下的异构蜂窝网物理层安全组网方案。.5.设计了基于协作的物理层安全组网传输方案，搭建了试验验证平台，并利用该平台与传统非协作安全传输方法进行了对比验证。