全双工认知无线网络物理层安全传输技术研究

The full-duplex cognitive radio networks (FD-CRNs) provide a new perspective to solve the problem of spectrum scarcity in 5G and beyond wireless networks. The characteristics of FD-CRNs, e.g., the massive number of nodes, the large scale antenna array and frequent information exchange between nodes, raise new challenges to the design of secure transmission schemes. This project investigates physical-layer secrecy foundations and transmission schemes aiming to improve the spectral efficiency and secrecy performance. In particular, we establish the wiretap models for different multiple-FD-node scenarios, develop the theoretical framework for secure transmission with existing on the reliability and efficiency performance, and seek to extract key design insights by investigating the impact of system parameters on the secrecy performance. Based on these fundamental results, precoder, secure encoding pair and artificial jamming are respectively designed to guarantee the security and reliability of transmission for cognitive user’s data under different scenarios. Finally, we draw the ideas of leaders and followers in the Starckelberg game to solve the coupling problem between the legitimate nodes and the eavesdropping nodes when the full-duplex intelligent eavesdropping nodes participate in the FD-CRNs. In general, this project aims to provide both design guidelines and technical supports for the secure communications in the future FD-CRNs.

全双工认知无线网络为解决5G以及下一代无线通信场景中的频谱资源短缺问题提供了新思路，而网络中节点数量大、天线阵列规模大以及节点间信息交互频繁等特点对信息安全传输提出了新挑战。本项目以改善频谱资源利用和信息安全传输为目标，研究全双工传输模式下认知无线网络的物理层安全理论与安全传输方法，构建多全双工节点参与下的窃听信道模型，建立以安全性能为中心兼顾可靠性和有效性的安全传输理论框架，探究系统参数影响网络物理层安全性能的机理。在此基础上，着力解决不同场景下的预编码设计、安全编码速率对设计和人工干扰设计问题，以保证信息的安全可靠传输。最后，运用斯塔克尔伯格博弈中领导者与跟随者的建模思路，解决全双工智能窃听节点参与时合法节点与窃听节点处优化目标的耦合问题，为未来全双工认知无线网络中信息安全传输提供理论指导与技术支撑。

下一代无线通信场景中频谱资源稀缺和信息安全的问题日益突出，传统单工的加密安全传输技术面临瓶颈，全双工传输模式下认知无线网络的物理层安全技术被视为一种有效的解决方法。本项目挖掘全双工和物理层安全传输技术频谱复用效率高和信息保密不泄露的潜在优势，以改善频谱资源利用和信息安全传输为目标，深入研究全双工传输模式下认知无线网络的物理层安全理论与安全传输方法，取得的主要研究进展与成果包括：1.健全全双工传输模式下认知无线网络窃听信道模型，探究系统参数影响网络物理层安全性能的机理，为评估不同安全传输方案对认知无线网络物理层安全性能的影响提供了理论基础；2. 针对全双工中继节点和全双工目的节点的物理层安全传输方法设计进行了研究，证明了全双工技术在提升无线窃听系统物理层安全性能方面的有效性；3. 研究了全双工传输模式下认知无线网络安全性能增强方法，结合NOMA技术、差分空间调制技术、无线充能技术以及非理想信道状态信息条件等研究热点展开深入研究，为实现认知无线网络物理层安全传输技术提供了理论和方法依据。.经过项目组的共同努力，已在IEEE Internet of Things Journal、IEEE Transactions on Vehicular Technology、IEEE Communications Letters等国际著名期刊与会议上发表论文21篇，授权发明专刊3项，申请发明专利5项，超额完成了预期研究目标与预期研究成果。本项目取得的创新性研究成果可有效提升全双工传输模式下认知无线网络性能，保证信息安全可靠传输。