无线网络物理层安全通信:协作与竞争

In wireless networks, it is necessary for the interfering nodes to cooperate with each other when facing external eavesdroppers, which results in the following interactions among the nodes: coordination, cooperation and competition. The physical layer security with both cooperation and competition in wireless networks will be studied in this project. Firstly, a general secrecy rate region independent of the channel parameters will be bounded to provide a metric for security performance analysis in wireless networks. For node cooperation, the optimal relaying function and cooperation strategies to improve the secrecy rate will be devised first, and then the interactive cooperation strategies among the network nodes. For the rational competing nodes, the transmission schemes and cooperation strategies for the nodes will be coordinated to ensure fair secrecy rate for each of them, meanwhile the system's total security performance would be near optimal. With this purpose, we will develop game-theoretic models to study the cooperation among competitive nodes. The Pareto optimal point of the multi-user channel with external eavesdroppers will be derived by using bargaining game theory. And the coalition formation of the transmitters in multi-user channel will be studied based on partition-form coalitional formation game. .With the research on this project, we will try to understand the particular role of competition and unique value of cooperation in wireless networks with secrecy constraint, which will be very significant in designing more rational, more efficient protocols and cooperation strategies for secret communication in wireless networks.

无线网络中相互干扰的节点在面对窃听者窃听的威胁时又有相互协作的需要，因此构成了协调、协作与竞争的相互关系。本项目将从节点间的竞争与协作两个角度研究无线网络物理层安全通信。首先，一般性的界定出不依赖于信道参数的无线网络安全速率的区域，为无线网络安全性能的分析提供评判依据。对于节点间的协作，研究如何设计最优的中继函数与协作策略以提高安全速率，进而研究多节点间的交互式协作策略。对于相互竞争的理性节点，则研究如何协调其传输方案以及它们间的协作策略以保证各节点公平的可达安全码率的同时系统总的安全性能趋于最优。针对此，我们将利用博弈理论研究相互竞争的节点间的协作，通过议价博弈得到有外在窃听者的多用户信道的最佳Pareto操作点，并基于划分式联盟形成博弈研究多用户信道中发送节点间的联盟形成。本项目的研究将为无线网络安全通信中设计更为理性的、更为高效的协议和协作策略提供理论指导和强有力的工具。

本项目以无线网络中的安全通信为研究重点，研究和分析了不同场景下竞争合作策略和非竞争合作策略，推导不同信道下的安全容量和可达速率，分析安全通信实现条件，通过博弈论和数学优化理论在不同信道模型下设计节点间协作策略和编译码方案以实现安全通信。本项目主要研究内容如下：.由于认知无线网络中存在次用户发送者对主链路窃听的可能，主用户发送者和次用户发送者存在链路资源的竞争，本项目以实现主发送者和次用户发送者之间的合作为出发点，提出了基于第二价格密封拍卖的协作策略，该策略能够大幅提高主链路的安全速率以及次用户发送者接入授权频段的概率。..在中继信道中，中继节点之间、中继节点和源节点之间均存在非竞争合作的关系。本项目针对多级中继系统和全双工中继系统，分别利用凸优化理论设计优化算法和一种高效的半闭式算法。仿真结果说明相关通过多跳中继可以获得更高的安全容量，同时，半闭式算法在具有全双工中继系统中可以获得接近最优的可达速率。.在无线信息和能量同时传输的网络中，能量接收节点对信息接收节点存在窃听的可能并存在对能量资源的竞争。针对此问题，本项目研究了MISO、MIMO等信道下的安全传输预编码算法设计。仿真结果表明本项目所得到的算法具有优于其他现有算法的性能。.本项目从信息论的角度对有噪广播信道中的可靠安全传输条件进行了分析，在具有考虑相关信源的情况下得到了可靠和安全传输的充分条件。并进一步分析和推导出在退化信源集和More capable广播信中的可靠和安全传输充要条件。..在中继信道下,根据系统是否因果已知源节点到中继节点的信道状态信息，本项目给出了离散无记忆信道和高斯正交信道下的安全容量或可达速率表达式。在BCCS信道下，本项目将信源编码和信道编码整合，基于联合编码的方式给出了安全容量的性能内界和外界，并进一步在两类特殊情况下给出了确定的安全容量。..通过本项目的实施，共发表29篇学术论文，其中SCI、EI检索25篇；申请专利7项；培养博士生3名，硕士生17名。