多向中继通信高效安全传输理论研究

Multiway relaying, which attracts much attention recently, is a promising technique in 5G wireless systems and Internet of things. This project aims to investigate efficient and physical-layer secure transmission schemes of multiway relaying by using various popular techniques, such as network coding and interference alignment. Existing works on multiway relaying focus on specific scenarios. However, transmission schemes are required for general traffic demand and scenarios when the users and relay have multiple antennas. This project aims to establish a general multiway relaying model, which can describe any unicast, multicast and broadcast traffic demand. With this model, degrees of freedom (DoF) capacity and secrecy DoF will be analyzed and the DoF results will be used as the guide of designing efficient transmission schemes and evaluating their efficiency. Then we use the transmission efficiency and the secrecy as the objectives, and consider maximum transmit power of the users and relay as the constraints to formulate a multi-objective optimization problem by joint design of multiway relaying, network coding, interference alignment, power allocation, and multi-user scheduling, etc. The methodology of joint design of multiple techniques will be proposed to seek the global optima of the optimization problem. The efficient transmission schemes will be provided as well for the general multiway relaying model. This project aims to enrich network coding and interference alignment, and guarantee the communication secrecy in relaying communications. It also promotes the standardization of multiway relaying and its application in future communication systems.

多向中继通信作为新兴研究热点，在第五代移动通信和物联网技术中均具有广泛的应用前景。本课题拟结合网络编码、干扰对齐等热点技术，研究多向中继通信的高效传输方案及物理层安全算法。目前对多向中继的研究主要针对特定场景，缺少对任意业务需求，特别是用户和中继均配备多天线场景的研究。本课题拟建立通用多向中继通信模型，进而实现任意单播、组播和广播业务需求，并在此模型基础上分析多向中继信道最大可达容量自由度和安全自由度，为后续传输方案设计及其有效性评估提供指导。建立以传输有效性和安全性为目标，以用户、中继最大发射功率为约束，涉及多向中继、网络编码、干扰对齐、功率分配及多用户调度等关键技术的联合优化问题，从全局最优化的角度提出多技术联合设计机制，探索有效的传输方案设计。本课题将为丰富网络编码和干扰对齐理论提供思路，为多向中继的安全通信提供保障，为多向中继通信步入标准化进程，及将来的实际应用提供理论支持。

本课题研究了多向中继通信中的物理层关键技术，以高效、安全传输两个核心目标，创新性地提出采用物理层网络编码的通用多向中继模型，实现了任意单播、组播和广播业务需求。随后根据多向中继信道的传输特征，利用网络编码及干扰对齐等技术方案，推导并证明了双业务轨道和三业务轨道中继系统的可达可达容量自由度和容量自由度上界，该研究结果为后续的高效传输方案提供了理论上界参考。考虑到实际通信场景下，中继很难获取完美的信道状态信息，我们分别对时分双工下和频分双工模式下，多向中继不确定信道进行建模，更精确地刻画了实际场景下两种双工模式下的信道不确定性。在该模型和容量自由度分析的基础上，以最小均方误差为准则，通过对中继预编码和用户自干扰消除和接收滤波的联合优化，利用凸优化和矩阵分析理论，提出了低复杂度的迭代算法，分别在频分双工和时分双工模式下设计了非完美信道状态信息下多向中继鲁棒性收发机方案。利用设备的移动性信息，提出了一种移动感知的自适应方案，以最大化下行链路云无线电接入网络的加权和速率；提出了移动辅助信道状态信息采集方法，相比于传统的基于导频的信道状态信息采集方法，降低了信令开销；提出了一种自适应算法来提高对信道不确定性的鲁棒性。研究了双业务轨道和三业务轨道下的安全自由度容量，对多向中继信道不同场景的物理层安全容量进行定义并建模，得到了物理层安全自由度的等效模型。推导并证明了不同用户、中继天线配置情况下的系统物理层安全自由度，揭示了非可信中继情况下实现安全信息传输的机理。接下来研究了物理层安全传输算法，以物理层安全速率为优化目标，设计了保证物理层安全通信的传输方案，提出了不同噪声条件下，中继辅助下的辐射源识别问题。本课题的研究，分析了多向中继系统中的传输极限，从全局的角度设计了多技术联合的传输方案，为多向中继通信高效安全传输提供了理论保障，为解决宽带移动通信瓶颈问题提供了技术参考。