多天线系统中基于有限反馈的物理层安全技术研究

With respect to the general wireless communications, wireless secure communications based on physical layer security face several new challenging problems from the perspectives of theory and technique. On one hand, it needs to decrease the transmission rate to fulfill the requirement of information security. On the other hand, it needs to maximize the secure transmission rate to satisfy the requirement of quality of service (QoS). The two objectives have a tight connetction to the feedback of channel state information (CSI). According to the constraints and objectives of wireless secure communications based on physical layer security, this project first analyzes a series of theoretical problems of physical layer security in multi-antenna systems, such as feedback and precoding, resource allocation, interference coordination and anti-eavesdropping detection. Then, this project focuses on the research and design of robust feedback design with interference, resource-efficient power and feedback joint allocation, new interference coordination technique and QoS-driven self-protection mechanism under the condition of limited feedback, so as to achieve the secure, reliable and efficient information transmission, and also provide theoretical and technical supports for the further development of wireless secure communications.

相对于一般的无线通信，基于物理层安全技术的无线安全通信在理论和技术上都有很多新的挑战。一方面它要降低传输速率以保证信息传输的安全性，另一方面它又要最大化信息的安全传输速率以满足服务质量要求，这两方面都与信道信息的反馈有着直接的联系。本项目正是在深入研究物理层安全通信的约束和目标的基础上，首先从理论上分析反馈与预编码、资源分配、干扰协调和反窃听检测等多天线系统中的物理层安全所涉及的一系列问题。然后重点研究和设计有限反馈情况下具有干扰时的鲁棒性反馈设计、资源有效的功率和反馈联合分配策略、新型干扰协调技术和服务质量驱动的自保护机制等技术问题，以实现信息的安全、可靠和高效的传输，为无线安全通信的进一步发展提供重要的理论和技术支持。

本项目旨在利用多天线系统的空间自由度增强实际场景下的物理层安全通信系统的性能。具体而言，本项目针对点对点系统、中继系统、多用户系统和多小区系统等场景的特性，分别设计了有效的多天线技术，在保证安全性的同时，满足了各种无线业务的服务质量要求。特别是，本项目在国际上较早的将大规模天线阵列技术引入到物理层安全中，利用其超高的空间分辨率，显著的提高了物理层安全的性能。本项目研究表明，当大规模天线阵列的天线数很大时，窃听节点将无法收到信号，从而实现了完全的安全通信。进一步，本项目将中继技术与大规模天线阵列技术结合起来，综合利用中继技术的分集增益和大规模天线阵列的超高空间分辨率，解决了信道信息不完全和近距离窃听等物理层安全通信的难题，实现了实际场景下的安全可靠的通信。此外，本项目基于大规模安全中继系统的特点，设计了放大转发和解码转发这两种中继协议下的资源分配策略，进一步增强了无线通信的安全性。经过三年的探索和研究，本项目在信道信息反馈与预编码、联合资源分配、干扰协调与管理和自保护机制这四个多天线安全通信系统的关键技术上取得了一系列创新性的研究成果，完成并超出了预期的研究目标。