毫米波认知蜂窝网络物理层安全传输技术研究

Physical layer security techniques provide a new perspective to solve the information security problem in millimeter wave cognitive cellular networks. This proposal studies the physical layer security information theory in millimeter wave cognitive cellular networks. Considering the diversified performance requirements and the unique characters of wireless fading, communication techniques and network configurations,this proposal models the millimeter wave cognitive cellular network using stochastic geometry theory and explores the statistical characteristics of the line-of-sight transmission link, the non-line-of-sight transmission link and the cumulative interferences between and inside the multi-layer networks. The theoretical framework for secure transmission is developed which considers mainly the security performance and takes into account other performance, and aims at analysing the tradeoff among security, reliability, spectrum efficiency and energy efficiency. Under this guidance, signal processing and radio resource management methods are investigated to enhance the physical layer security performance. Design and optimize the directional beamforming-based artificial noise transmission scheme, efficiently manage and exploit the interference between the primary and secondary network to enhance the physical layer security performance. From the centralized perspective and distributed perspective, respectively, the optimization theory and Bayesian resource competition game model are used to study the physical layer security resource scheduling based on load balancing and incomplete information to improve the physical layer security of the millimeter wave cognitive cellular network performance.

物理层安全技术为保障毫米波认知蜂窝网络信息安全传输提供了新的思路。针对安全敏感业务的传输问题，本项目深入研究毫米波认知蜂窝网络中物理层安全信息理论，针对其特有的无线信道、通信技术、网络结构和多样化的性能需求，运用随机几何理论对毫米波认知蜂窝网络进行建模，探究视距传输链路、非视距传输链路和多层网络间/网络内累积干扰的统计特征，建立以安全性能为中心兼顾可靠性能、频谱效率和能量效率的安全传输理论框架，揭示安全性能和其他性能之间的折衷关系，在此指导下，探寻增强物理层安全性能的信号处理和资源管理方法。设计优化基于定向波束赋形的人工噪声方案，高效管理和利用主、次网络之间的相互干扰来增强物理层安全性能；分别从从集中式和分布角度角度出发，运用最优化理论和贝叶斯资源竞争博弈模型，研究基于负载均衡和不完全信息条件下的物理层安全资源调度，以改善认知蜂窝网络物理层安全性能。

物理层安全技术为保障毫米波认知蜂窝网络信息安全传输提供了新的思路。本项目深入研究毫米波认知蜂窝网络中物理层安全信息理论。针对毫米波直传系统，提出一种毫米波下行多用户安全混合波束成形算法。为解决混合波束成形全局最优解难以求解的问题，分两阶段对各部分波束成形矩阵解耦合进行设计。阶段1，通过最大化用户接收信号能量准则，设计有用信号的模拟波束成形矩阵；阶段2，采用迫零波束成形（Zero-Forcing, ZF）设计有用信号的数字波束成形矩阵，并通过奇异值分解（Singular Value Decomposition，SVD）设计人工噪声的基带数字预编码矩阵，将人工噪声置于合法用户零空间，达到恶化窃听信道，保障正常通信的目的。最后仿真表明提高模拟移相器量化精度，增大基站天线数目，合理设置人工噪声功率分配因子均可提升系统安全性能。针对毫米波中继系统，提出一种机会中继选择（ORS）方案，并利用随机几何工具对网络的可靠性和安全性进行建模分析。首先给出毫米波网络中机会中继选择的具体方案；然后，基于随机几何工具对中继网络节点位置进行建模，对比分析了直传网络和中继网络的可靠性（连接中断概率）、安全性（安全中断概率）和安全吞吐量。仿真结果表明，该机会中继选择方案提高了传输的可靠性，但由于两次暴露给窃听者，使得安全中断概率增加，称之为信息“二次泄露”。但从系统安全吞吐量的角度来看，系统的安全性能是提升的，即相对于直传系统，机会中继选择方案使得网络可靠性和安全性的综合性能得到提升。针对毫米波中继系统，为了解决信息“二次泄露问题”，在毫米波中继系统的每个传输时隙中，分别采用两阶段安全混合波束成形算法。在时隙1中，首先依据最大化中继处接收信号能量准则，设计源节点和中继节点的模拟波束成形矩阵；然后通过迫零波束成形设计源节点处的数字波束成形矩阵，并通过SVD分解设计人工噪声波束成形矩阵，将人工噪声置于中继信道的零空间。在时隙2中，首先依据最大化目的节点接收信号能量准则，设计中继节点和目的节点的模拟波束成形矩阵；然后通过迫零波束成形设计中继节点处的数字波束成形矩阵，并将人工噪声置于合法用户零空间。最后仿真分析了算法的有效性。研究成果包括21篇期刊论文，2篇会议论文和3篇专利，其中SCI检索收录论文10篇，EI检索收录论文8篇。