面向物理层安全的高能-谱效率协作干扰机理及方法研究

In existing collaborative jamming based physical-layer security, energy efficiency and spectrum utilization are considerably low. In addition, the motivation for collaboration is too ideal. These factors hinder the development and applications of collaborative jamming. With the rise of heterogeneous wireless networks, the collaboration between spectrum licensed users and spectrum unlicensed users become possible, which provides new degrees of freedom for the research of physical-layer security. To address how to introduce collaborating node in collaborative jamming, and to understand how to simultaneously increase the physical-layer security, spectrum and energy efficiency, this proposal aims to investigate the mechanisms and methods based on collaborative jamming, by using cooperative dynamic spectrum access, polarization signal processing, and network resource allocation and management. To this end, the applicant selects ‘network and user collaboration modeling-physical-layer signal processing-cross-layer resource allocation and optimization’ as the research framework. The proposal will deeply study the critical issues in collaborative jamming for improving physical-layer security of licensed users and network-wide spectrum and energy efficiency, wherein, collaboration model, key enabling techniques, and performance evaluation and optimization will be focused. The goal of this proposal is to tackle the aforementioned challenges.

现有基于协作干扰的物理层安全存在低能量效率、低频谱利用率的问题，协作动机的假设也较为理想，这些因素制约了协作干扰的后续发展和应用。随着异构网络的兴起，频谱非授权网络与授权网络的合作成为可能，为物理层安全研究提供了新自由度。针对如何在协作干扰中引入协作节点、能否将物理层安全和能-谱效率联合提升、如何提升的问题，借助协作动态频谱接入、极化信号处理和网络资源管理和分配等理论和技术，本项目致力于探索基于协作干扰的机理和方法以联合提升物理层安全和网络能-谱效率。为此，选定“网络和用户协作模型—物理层与信号处理关键技术—跨层联合资源分配和优化”为主线的研究框架，以协作干扰联合提升授权用户物理层安全、网络能-谱效率为目标，研究该框架下的协作模型建立、关键方法与技术、性能评估及优化等内容，以期为上述问题的回答提供部分理论支撑和技术参考。

现如今，通信安全问题在学术界、工业界乃至公共生活场景中得到了越来越广泛的关注。例如国家安全领域的机密信息传递，外交及商业机密的保密传输，军事场景中的指挥、报告，甚至如今的手机通话、个人隐私保护。通信安全技术在各个领域中都发挥着至关重要的作用。当采用主流通信加密技术即上层密码学加密时，往往对节点的上层结构有较高的要求，而在某些分布式网络中存在大量的单一功能节点，此类节点的上层结构极其简化，难以实现加密、解密功能。物理层安全技术可以作为密码加密体制的补充，对其不足之处加以完善。.物理层安全技术作为密码加密体制的补充逐步成为通信安全领域的研究热点，其基本思想是利用合法信道与窃听信道信道容量间的差异实现保密通信。其中，协作干扰技术是保证物理层安全性能的重要手段之一。然而，当使用协作干扰技术时，系统将面临如下问题：在使用协作干扰技术时，需要一定的辅助节点实现对窃听者进行干扰，而这就意味着大量的基础设施投入与后期维护成本。同时，协作节点通过产生并发射噪声实现干扰，也造成了大量的能量与频谱浪费，系统的能量-频谱效率相对较低。在无线通信网络可用资源有限的情况下，资源的高效使用策略是协作干扰技术面临的重要问题。.本研究针对环境复杂、资源受限的协作干扰网络中资源不能有效利用的问题，提出通过引入次级用户参与合作，代替传统的干扰节点，实现协作干扰的合作方式，以及基于单、多合作用户下的用户选择与系统资源优化使用策略。同时，基于单合作用户的情况，从主、次级用户间的利益均衡角度，提出了以双赢为基础的合作方案。在多合作用户场景下，针对合作用户间的公平性问题进行了研究。提出基于单合作用户下的用户选择与资源分配求解数学模型，并且运用有效求解算法给出最优解。在基于多用户的合作方式下，建立用户选择与能效策略的优化求解模型，并针对该模型的复杂难解性，提出阶段性求解方案，给出了该方案的具体运用形式。