分布式认知协同无线网络物理层安全理论与传输方法研究

With the rapid development of wireless communications, the amount of data of wireless communication services has explosively increased, which results in the problem of spectrum scarcity being more serious. Meanwhile, due to the broadcast nature of wireless medium and the mobility of user terminals, security is a critical concern in wireless communication systems. Hence, this project aims at investigating the fundamental theorem and transmission techniques of physical-layer security for cognitive cooperative wireless networks with the emphasis on improving the spectral efficiency and the data of secure transmission. Taking this into mind, we firstly design the channel model of relay-eavesdropping for spectrum sharing networks, utilize the information-theoretic security to analyze the secrecy performance, and seek to extract key design insights by investigating the impact of system parameters on the secrecy performance. Based on these fundamental results, distributed precoder and artificial jamming strategies are respectively designed to guarantee the security and reliability of transmission for cognitive user’s data under different channel state information scenarios. Finally, we aim to develop cooperative transmission algorithms between primary users and secondary users to enhance the physical-layer security and solve the problem of spectrum sharing in distributed cognitive cooperative networks. All in all, the results of this project provide both design guidelines and technical support for next generation wireless communication networks.

随着无线通信的飞速发展和无线数据业务的爆发式增长，频谱资源短缺的问题日益凸显。与此同时，无线传播环境的开放性和用户终端的移动性等因素使得无线通信系统面临着更多的安全威胁。本项目以改善无线频谱资源利用效率与信息传输安全为目标，着重研究了认知协同无线网络物理层安全理论与传输方法。通过建立中继窃听信道模型，利用物理层安全信息理论，分析了认知协同无线网络的物理层安全性能，揭示系统参数影响物理层安全性能的作用机理；以此为基础，着力解决不同信道状态信息条件下的分布式预编码设计问题和人工干扰设计方案，实现认知用户信息的安全与可靠传输；最后，致力于设计增强物理层安全性能的协作传输策略，通过在主次用户之间引入合作机制，解决频谱资源共享和网络的物理层安全问题，为下一代无线通信网络的发展提供理论指导与技术支撑。

随着无线通信的飞速发展，频谱资源短缺的问题日益凸显。与此同时，无线传播环境的开放性和用户终端的移动性等因素使得无线通信系统面临着更多的安全威胁。本项目以改善无线频谱资源利用效率与信息传输安全为目标，深入研究了认知协同无线网络物理层安全理论与传输方法，取得的主要研究进展与成果包括：1. 针对不同信道状态信息条件下，深入研究了协同认知无线网络的物理层安全信息理论，分析了遍历安全容量、安全中断概率、安全连通概率等性能，并提出了一种新的安全性-可靠性折中指标，以评估协作干扰策略的性能增益；2. 针对非理想信道状态信息条件下，设计了物理层安全约束下的鲁棒信号处理分析模型，并基于该模型以最大化最差情况安全速率为目标，提出了鲁棒波束成形和人工噪声协方差联合优化方案；3. 提出了基于缓存中继的多用户调度物理层安全传输策略，以及基于能量传输与节点选择的主次用户协作安全传输策略，有效的提升了多中继认知无线网络的安全保密性能、频谱利用效率与能量利用效率。. 经过项目组的共同努力，已在IEEE Transactions on Communications、IEEE Transactions on Wireless Communications、IEEE Transactions on Information Forensics and Security等国际著名期刊与会议上发表论文41篇，授权发明专刊1项，申请发明专利4项，超额完成了预期研究目标与预期研究成果。本项目取得的创新性研究成果可有效提升协同认知无线网络场景下的系统性能，保证信息传输的可靠性与安全性。