协作通信系统中安全高效的空时网络编码技术研究

Due to the broadcast nature of wireless medium, cooperative communication systems are not only influenced by fading and interference, but also challenged by security issues. Therefore, it is important to design cooperative transmission schemes which take transmission reliability, efficiency as well as security into consideration. In this proposal, the system performance is improved by the design of space-time network coding, which can improve transmission efficiency and provide security. The proposal includes: 1) based on the idea of network coding, designing full diversity space-time network coding schemes for asynchronous cooperative communications without sacrificing transmission efficiency. 2) under the constraint of reliability, designing space-time network coded protocols to improve transmission efficiency and mimic full-duplex transmissions. 3) under the constraint of transmission reliability and efficiency, designing anti-eavesdropping space-time network coding schemes by exploiting physical channels, which can degrade the eavesdropper's performance by introducing artificial random interference. The performances of the proposed schemes are analyzed and evaluated from the perspective of reliability-efficiency-security tradeoff. The influences of some practical factors such as channel estimation errors are investigated. The research of this proposal can improve the study of cooperative communication systems and provide valuable reference schemes for practical implements of cooperative communication techniques.

由于无线信道的开放性，协作通信系统不仅受到衰落和干扰的影响，还面临着严峻的安全性挑战。因此，研究兼顾系统可靠性、有效性和安全性的协作传输技术具有重要的意义。本课题从空时网络编码的设计入手，研究如何提高系统的传输效率及传输安全性。具体内容包括：1、在不降低协作传输效率的前提下，基于网络编码的思想设计适合异步传输的满分集空时网络编码方案；2、在可靠性的前提下，设计基于空时网络编码的传输协议，模仿全双工传输，提高传输效率；3、在可靠性及不降低传输效率的前提下，利用物理信道设计抗窃听空时网络编码方案，使窃听节点受到人为随机干扰而性能恶化。在完成上述方案设计的基础上，从可靠性、有效性和安全性的折中角度对所提方案的性能进行分析和评估，并讨论信道估计误差等不理想因素对系统性能的影响。本课题对国内协作通信领域的研究在国际上保持领先地位具有积极的意义，并为协作通信技术的实际运用提供有益的参考方案。

由于无线传输的开放性，安全问题是无线网络的关键问题。在无线传输范围内的任意接收机都可能是潜在的窃听者。现有抗窃听的方法通常采用高层的加密算法，然而，由于协作通信系统的分布式等特点，上层加密算法的秘钥分配和管理变得更加困难。物理层安全技术在不需要任何保密协商的前提下充分利用物理信道的特征实现安全传输，更适用于协作通信系统。本项目从空时网络编码和物理层安全的角度出发，研究兼顾系统可靠性、有效性和安全性的协作传输技术，具体包括以下三方面内容：1）提高传输可靠性和有效性的空时编码空间调制传输方案；2）提高传输有效性和安全性的抗窃听编码传输方案；3）兼顾传输可靠性、有效性和安全性的空时编码空间调制传输方案。针对研究内容一，提出一种酉空时编码空间调制方案，利用分布式空间调制技术在中继序号上传输额外的源信息比特以提高传输效率，所设计的编码方案能够获得灵活的空间分集，弥补了现有空间调制技术的不足。针对研究内容二，首先利用人工噪声的思想设计抗窃听方案，在不增加硬件设施且不改变合法接收机结构的前提下，提出一种编码正交空间调制方案，并针对正交频分复用中继系统提出一种时域人工噪声方案。然后利用信道特征设计了不需要人工噪声的抗窃听传输方案，避免了发射人工噪声所需的干扰功率。针对研究内容三，通过酉空时码和空间调制矩阵的设计提高了合法接收者的分集和传输效率，且设计了包含人工噪声的预编码，该预编码保证人工噪声只干扰窃听者而不干扰合法接收者。基于以上内容，以项目主持人为第一作者或通信作者产生期刊论文3篇，其中2篇为IEEE期刊，产生国际学术会议论文4篇，产生发明专利5项，其中已授权1项，培养研究生6名，其中已毕业1名。本项目的研究成果对于增强协作通信系统的传输性能具有重要的指导意义，并为安全可靠的协作通信技术的实际运用提供了有益的参考方案。