认知协作网络物理层保密通信性能分析与节能传输策略研究

In cognitive radio (CR) cooperative networks, information transmission has been extended by relays, resulting in an increased eavesdropping probability and poor secure performance in physical layer. However, most related works on secure performance in physical layer are carried out for traditional one-to-one communication systems, CR systems and cooperative systems over Gaussian channel or in small-scale fading environment (e.g., Rayleigh fading channels). Unfortunately, in practical wireless implementations, transmission signals may also be affected by middle-scale fading (e.g., shadowing effect) or large-scale fading. Moreover, there are some more constraints for secondary users in CR scenarios, such as the interference temperature threshold of primary user, co-channel interference, relay-forwarding strategy and cooperative interference. Therefore, these results are not accurate for CR cooperative networks. This project aims at the theoretical secure performance in physical layer and energy-efficient transmission scheme design including the following two critical problems: (1) Secure performance analysis in physical layer over Rayleigh and log-normal fading channels, such as average secrecy capacity，the probability of non-zero secrecy capacity and secrecy outage probability; (2) Energy-efficient transmission scheme design over Rayleigh and log-normal fading channels, including energy consumption analysis, power control strategy and energy-efficient MAC protocol.

在认知（CR）协作网络中，中继节点的引入，延长了信息传输环节，增大了信息被窃听的概率，降低了物理层保密性能。目前关于物理层保密性能的研究大多局限于传统的两方通信、CR和协作等通信系统，且仅考虑了Gaussian信道或小尺度衰落场景。然而，无线信号在实际传播过程中，还会受到Log-normal 类型衰落（如阴影效应等中/大尺度衰落）的影响。此外，在CR协作网络中，次级用户还受到主用户的干扰温度门限、共道干扰、中继转发策略以及协作干扰等因素的影响。因此，目前对CR协作通信的研究并不完善。本项目拟致力于CR协作网络物理层保密通信性能分析与节能传输策略问题研究，主要包括：（1）在Rayleigh和log-normal衰落环境下，CR协作网络物理层保密性能研究，如平均安全容量、非零安全容量概率和中断安全概率等；（2）节能传输策略设计研究，包括系统能耗建模分析、功率控制策略和节能媒质接入控制协议设计。

本项目在执行过程中，根据原有研究计划和路线图，首先研究了CR和非CR系统的物理层保密通信性能：1）单跳单天线/多天线CR系统；2）中继协作CR系统。对于多天线CR系统，研究了发射分集和接收分集策略对系统物理层安全性能的影响。建立相关目标系统的安全性能分析模型，推导了保密中断概率以及平均安全通信容量的精确/近似/渐进表达式。随后，根据研究动态的变化，本课题组又研究了多种系统拓扑的无线信能同传系统的性能：1）单输入多输出系统；多输入单输出系统；3）多输入多输出系统。建立相关系统的安全性能分析模型，推导了保密中断概率以及平均安全通信容量的精确/近似/渐进表达式，进而根据所建立的数学分析模型，提出了相关的优化传输策略。最后，鉴于传统的射频无线信能同传系统存在着一些固有的弊端（如发射功率受限、电磁干扰等），本课题组利用可见光通信技术，提出了针对室内场景的光信同传策略，为了室内资源受限的系统（如室内传感器网络等）提出了一种新颖的能源解决方案。具体而言，运用随机几何等知识，本课题组先后研究了下行可见光系统、采用了光信同传策略的射频与可见光混合通信系统上行射频链路的物理层保密通信性能。以上这些研究成果为研究优化CR/非CR系统、无线信能同传系统以及光信同传系统的性能，特别是物理层保密通信性能提供了重要的理论支撑，具有一定的借鉴价值，特别可作为实际的相关系统的设计、建设和优化的可靠理论保障和依据。