信道特征驱动的无线网络抗窃听技术研究

With the explosive development of wireless communication technology, the physical transmission methods of wireless information, the transmission environments of the wireless networks, and users’ requirements have changed, which poses new challenges to network information security. Confronted with these new challenges and driven by the physical characteristics of wireless channels, this project will establish an optimization model which considers multiple factors such as secrecy rate, secrecy outage probability, transmission efficiency, and security level to improve the anti-eavesdropping performance of wireless networks. First, considering the random change of wireless channels, we propose a fragmented secure transmission strategy based on the channel adaptation to make full use of the network secrecy resources. Second, considering the interference among different networks, we propose a non-orthogonal multiple access (NOMA) based secure transmission scheme to make full use of the interference and improve the information security. Third, considering the diversified security requirements, we propose a queue control based refined security transmission scheme which combines the effective bandwidth theory to provide different secure levels. The theoretical research results and the designs of the optimization algorithms will provide theoretical and technical supports for the practical application of the channel characteristics derived anti-eavesdropping technologies of wireless networks.

随着无线通信技术的飞速发展，无线信息的物理传播方式、网络环境、用户服务需求都发生了巨大的变化，这对网络的信息安全形成了新的挑战。针对这些新挑战，本项目以无线信道物理特征为驱动，以移动通信网络中信息安全为研究背景，拟建立综合考虑私密容量、安全中断概率、传输效率、安全等级等多因素的优化模型，充分挖掘无线信道的物理特征以提升无线网络的抗窃听性能。在此基础上，针对无线信道动态变化造成的安全资源利用率低的问题，提出基于信道自适应的碎片化安全防御技术，充分利用网络中的安全资源；针对不同网络间的干扰问题，提出基于协作干扰的NOMA安全传输技术，充分利用网络间协作干扰提升安全性；针对用户多样化的安全需求问题，提出基于队列控制的多样化安全传输技术，结合有效带宽理论，满足不同信道质量下用户多样化的安全要求。本项目的理论研究成果和优化算法设计将为信道特征驱动的无线网络抗窃听技术的实际应用提供理论和技术支撑。

本项目利用信道的固有特征，如噪声、干扰等，通过传输协议设计、资源分配、信号设计等技术将这些不利因素转化为增强信息安全的有利因素，利用物理层安全理论实现信息安全传输。在此基础上，本项目针对安全资源碎片化问题，提出了一种基于信道自适应的碎片化安全防御方案，并针对多输入单输出网络及多输入多输出网络，建立相应的资源调度模型，并提出相应的资源调度算法；针对网络间干扰问题，提出了一种基于网络间干扰的NOMA安全传输方案，利用认知用户的协作干扰来提升主用户网络的安全性，同时，分配给认知用户更多频谱用于认知传输；针对用户多样化的安全需求问题，提出了一种基于队列控制的多样化安全传输方案，利用有效带宽理论控制不同用户的安全需求，并提出相应的算法来分配网络的发射功率；构建了一套物理层安全技术的仿真平台，用于仿真和验证提出的关键技术。.本项目研究的科学意义在于突破传统的密码学安全体系忽视网络信道物理特征的局限性，综合考虑用户的私密速率、安全等级、安全中断概率等要求以及无线信道的噪声、干扰、多径衰落等特征，设计安全传输方案以提升网络安全性，建立适用于下一代无线网络的新型信道特征驱动的无线网络抗窃听理论，并在此基础上分别研究了碎片化安全资源利用、网络间干扰利用、多维安全需求等内容，为信道特征驱动的无线网络抗窃听传输理论的实际应用奠定理论基础。