基于物理层安全的Ad Hoc网络端到端保密传输机制研究

Ad Hoc networks are important component of Mobile Internet and IoT. Since they are self-organized without central infrastructure and the data delivery is implemented by multi-hop relaying, it is hard for traditional cryptography methods to guarantee the secrecy transmission in Ad Hoc networks. Physical layer security can overcome the shortcomings of cryptography, has the advantage of low computational complexity and can be easily implemented in a distributed manner without secret key, thus it has been attracting lots of attentions. This project focuses on the study of physical layer security-based end-to-end (E2E) secrecy transmission mechanism in Ad Hoc networks. By exploring the essential relationships between the multi-dimensional attributes of eavesdroppers and jammers, channel propagation, data forwarding protocols and E2E transmission, we construct the E2E secrecy transmission model. Based on this, we evaluate the performance of transmission security, connection outage and secrecy capacity, determining the key factors that affect E2E secrecy transmission. By integrating routing strategies on the network layer, we further study the design methods for E2E secrecy transmission. Aiming to satisfy the various requirements of practical applications, we explore the highly efficient E2E secrecy transmission with physical layer security techniques. This project provides theoretical and experimental basis for the design of E2E secrecy transmission mechanisms in Ad Hoc networks.

Ad Hoc网络是移动互联网、物联网的重要组成部分。由于其无中心自组织、数据交换需经多跳转发进行，传统密码学方法难以满足Ad Hoc网络保密传输需求。物理层安全技术可进行分布式、低运算量的无密钥安全通信，弥补密码学方法的不足，已引起了广泛关注。本项目聚焦基于物理层安全的Ad Hoc网络端到端保密传输机制研究。从构建端到端保密传输模型入手，揭示窃听者多维属性、干扰者多维属性、信道传播模型、数据转发协议等与端到端传输的本质关系，并在此基础上评估传输的安全中断、连接中断和安全容量性能等，确定影响端到端保密传输的关键要素。进一步，结合网络层路由策略，研究端到端的保密传输设计方法。针对不同业务需求差异大的实际情况，基于物理层安全研究高效高质的端到端保密传输。本项目为Ad Hoc网络的端到端保密传输机制设计提供了理论和实验基础。

无线自组织（Ad Hoc）网络与社会行业领域深度融合，是国家新型信息基础设施的重要组成部分。本项目以解决Ad Hoc网络安全的实际挑战为出发点，以物理层安全技术为基础，安全路由的设计与优化为主线，提供轻量级的端到端信息保密传输解决方案。本项目按照预定计划对基于物理层安全的Ad Hoc网络端到端保密传输机制进行了深入的探索与研究，并按时、按量甚至大幅度超额完成研究计划中的预期研究成果。在该项目受资助期间，共发表国际会议和期刊论文19篇，包括IEEE TWC， IEEE TIFS，IEEE IoT Journal，IEEE INFOCOM为代表的中科院1区期刊与CCF A类会议论文9篇，相关研究成果获得了领域内的广泛认可。. 项目的主要研究成果包括：首先，分析了Ad Hoc网络端到端无线信道的窃听模型和干扰模型，建立了完备的窃听信道安全容量理论，量化了网络物理层安全性能，作为后续研究工作的理论基石。其次，针对两跳网络场景，设计并优化了物理层协作安全传输策略，开发了基于通信模式选择、协作干扰、频谱分配、功率控制及链路调度的物理层安全容量优化及提升技术。在此基础上，针对多跳网络场景，分析了多种数据转发协议下的路径保密中断概率和连接中断概率，提出了可灵活调控保密性和可靠性的路由算法。更进一步，揭示了传输保密性与可靠性、吞吐量、时延、能效等网络性能指标之间的内在折中关系，设计了可实现保密传输与通信服务质量灵活折中的路由策略。最后，考虑网络资源受限的约束，提出了基于奖励机制的轻量级安全路由算法，该算法具备稳定、分布式、个体理性和计算高效特性，满足了Ad Hoc网络端到端保密传输的实际需求。