无线信道中信息理论意义下的安全通信的关键理论与技术研究

近年来，无线通信技术取得了诸多重要突破。人们对无线网络的设计、构建、以及管理等都积累了丰富的知识。但无线信息安全依然是一个迫切需要探索的领域。目前信息安全通常是基于网络协议高层中的加密协议。然而，传统的加密技术没有充分利用无线信道的特性及物理层技术。随着量子计算等计算方式的出现，人们开始重新关注信息理论的角度研究信息安全。本项目将研究无线网络中中继协同通信在有窃听者存在的情况下的安全通信性能。在有多个节点构成的无线网络中，通常存在着节点间协同与反馈信息。我们将分析并建立中继-窃听者系统在发射端有接收机输出反馈的情况下的安全通信容量及可达安全通信速率。对于协同安全通信，我们将分别研究可信赖中继与不可信赖中继。针对衰落信道，我们将研究发射端与中继均具有信道信息的情形，给出其安全通信容量的描述并设计最优功率分配方案。本项目的研究将为具有多个用户且不可靠链接的无线网络的安全通信奠定信息理论基础。

本课题以无线信道安全通信理论研究为主线，研究、分析了多用户信道下的安全通信的可达安全码率区域和安全通信容量，设计实现安全通信的多用户信道的编译码方案和节点间的协作策略，设计多跳通信安全的物理层安全技术。针对以上主要研究内容，重点解决了如下关键技术：源节点引入反馈信息时，信道的编译码方案；不信任高斯正交中继信道安全通信的资源分配问题；OFDM系统安全通信子载波功率分配问题；中继信道的最优中继函数；通信节点间的博弈问题等。.首先，在源节点带反馈的多用户信道中，反馈信息的引入可能会增大信道的可达速率，反馈信号还可能包括合法节点间安全通信的私钥。本课题分别对带广义反馈三节点中继信道、带有广义反馈的多址接入中继信道和源节点带广义反馈的中继-窃听者信道的可达速率区域进行了研究，分别针对不同的信道模型设计了相应的编译码方案，得到了信道的可达速率和可达安全速率。.其次，在中继-窃听者信道中，中继节点可以有效协助源节点和合法目的节点间的安全通信。本课题研究了存在多个中继节点的多级中继-窃听信道的安全通信问题，得到了多级中继-窃听者信道的可达安全通信速率。.第三，在中继信道中，中继策略直接影响到信道的可达速率以及中继节点的复杂度。在多跳中继信道中，当中继函数为线性函数时，得到了信道容量的表达式。在此基础之上，本课题研究了有窃听者存在时的最优中继函数，采用分段线性函数去逼近最优的中继函数，得到了信道安全速率的表达形式，并设计了求解分段线性函数最优解的迭代算法。.第四，研究了多用户信道安全通信中的最优资源分配问题，分别对不信任中交中继信道、MISO窃听信道和有协作者的OFDM系统中的功率或带宽资源的最优分配问题进行了研究，得到了各自的最优或次优资源分配方案。.第五，在中继-窃听信道中，利用斯塔克伯格博弈研究发送节点和中继节点之间的博弈问题，当中继需要一定回报时，发送节点和中继节点构成的博弈存在平衡点，并得到了该平衡点。.通过本项目的实施，本课题组共发表学术论文17篇，其中，SCI、EI检索16篇；申请专利2项，其中，授权1项；培养博士生5名，硕士生12名。