无率码增强无线中继网络抗干扰防窃听性能的关键技术研究

Wireless communication is susceptible to jamming and eavesdropping. Traditional security technologies such as spread spectrum modulation and encryption codes are facing greater challenges. Rateless codes are employed in this project to enhance the anti-jamming and anti-eavesdropping performance in wireless relay networks. They will be used in two layers. First, they will be used as erasure correcting codes to encode the source data, which will then be transmitted by multiple paths. Dispersed transmission is of great help to reduce the risk of being wire-tapped and to improve the reliability. Second, rateless codes will be used as high performance error correcting codes to improve the anti-noise and anti-interference performance of transmission. Furthermore, the random nature of rateless codes will make it difficult for eavesdroppers to decipher. This project focuses on the design of pseudo random rateless codes, the safe interchange method of the information about codes between the encoder and the decoder, and the design of an effective multi-hop relay protocol, which together make this project valuable, both theoretically and practically, to the physical security of wireless communications.

由于传输环境的开放性，无线通信信号极易受到干扰，且传输信息泄漏风险较大。在极具应用潜力的无线中继网络中，该问题更加突出和困难。传统的扩频、加密编码等安全技术面临越来越大的挑战。本项目将无率码应用于无线中继网络，增强系统的抗干扰、防窃听性能。无率码在两个层次上应用：一是作为数据包级的纠删码对数据进行编码，编码数据包分由多条路径传输；分散传输可减少信息被截获的风险，同时也对可靠传输有利。二是作为高性能的符号级纠错码，提高传输的抗噪声、抗干扰能力；即使窃听者截获了信道上传输的数据，无率码的随机编码特性也使其难以破译信息。项目将重点对伪随机性的无率码的编码设计和编码信息的安全交换进行研究，找到性能符合要求的伪随机纠删和纠错无率码的设计方法和编码产生方法，并设计一种高效的多中继多跳传输协议。项目的工作对中继传输和物理层安全技术的研究和应用具有重要的价值。

项目组按照项目计划书中研究内容和研究目标的安排开展研究工作，完成了计划书中安排的研究工作，达到了预期的研究目标。研究内容包括：基于无率码的多中继多路径中继传输协议、无率纠删码的编译码、无率纠错码的编译码、基于无率码的纠错保密体系等研究内容的研究，此外，还对安全信道编码、无线通信系统中增强物理层安全性能的信号处理技术、无线通信系统物理层安全性能理论分析等进行了研究。取得了的成果有：(1)提出了提高无率纠删码传输效率和安全性的编译码方案；(2) 提出了更好纠错性能的无率纠错编码的设计方案和低复杂度的译码方案；(3)设计了无率码随机编码生成矩阵的伪随机产生方案；(4)提出了两种高效且实用的接收端速率自适应方案，并在此基础上设计了高效、安全和可靠的多中继多路径分散传输协议；(5)提出了基于无率码的同时实现纠错和保密的编码体系；(6)提出了多种系统和信道模型下的物理层安全信号处理方案；(7)理论分析了不同信道模型下多种无线通信系统的物理层安全性能，并获得相应的理论结果；(8)共发表学术论文63篇，其中SCI收录期刊论文17篇，EI收录期刊论文35篇；(9)申请发明专利7项，其中3项获得授权；(10) 培养博士研究生1名，硕士研究生22名。本项目的研究成果为物理层安全技术、无线通信系统中信息的高效、安全和可靠传输、无率编码等相关的理论和应用研究提供了重要的参考。项目组为物理层信息安全传输解决方案做了重要的基础性的研究工作，这些工作对于物理层安全技术的实用化具有重要的意义。