缓存辅助的无线物理层安全传输理论与方法研究

Cache-based wireless network is the important development direction of the next-generation access networks, and its basic principle is to configure the physical storage resources at the network edge, which reduces the backhaul cost significantly and improves the quality of user experience substantially. Besides the traditional spatio-temporal and power resources, the existence of cache introduces a new dimension of the communication resource, and deeply affects the mechanism and structure of the wireless transmission and physical-layer security. At present, the mechanism that cache affects the physical-layer secure transmission is not clear, and hence it is urgent to study the theory and method for the cache-aided physical-layer secure transmission. This project firstly analyzes how cache deeply affects the physical-layer secure transmission performance from the spatio-temporal and power viewpoints, and studies the mechanism of the cache-aided wireless physical-layer secure transmission. From this mechanism, this project then optimizes the secure transmission strategy for the wireless signal of the network nodes, through flexibly adjusting the spatio-temporal transceiver and transmission energy consumption under the framework of cache aided networks. This project further optimizes the caching strategy for the confidential documents in the new dimension of cache, and devises a joint optimization method of secure transmission and caching strategy. Finally, a new complete framework for the wireless physical-layer secure transmission is built, which substantially improves the secure performance of the physical-layer transmission. The research achievements of the project provide an important reference for the secure and reliable transmission in the future wireless networks.

基于缓存的无线网络是下一代接入网发展的重要方向，其基本原理是通过在网络边缘配置物理存储资源，显著降低回程成本并大幅改善用户体验质量。在空时及功率等传统无线传输资源基础上，缓存的存在还引入了新的通信资源维度，深刻地影响了无线传输及物理层安全的机制与架构。目前缓存影响物理层安全传输的机理尚不清晰，亟待研究与缓存辅助相适应的物理层安全传输理论与方法。课题首先分析缓存在空时及功率等多维度深层次地影响物理层安全传输性能，探析缓存辅助无线物理层安全传输的机理；以此为基础优化网络节点无线信号的安全传输策略，在缓存的架构下灵活地调整网络节点信号的空时收发方式及传输能耗；进而结合物理层安全传输统计特性，在缓存新维度上优化保密文件的缓存策略，并设计安全传输与缓存策略的联合优化方案。最终构建出一套完整的无线物理层安全传输新框架，大幅度提升物理层安全性能。课题的研究成果为未来无线网络的安全可靠传输提供重要的借鉴。

缓存通过在无线网络边缘配置物理存储资源，显著降低回程成本并大幅改善用户体验质量。在空时及功率等传统无线传输资源基础上，缓存的存在还引入了新的通信资源维度，深刻地影响了无线传输及物理层安全的机制与架构。为此，课题针对边缘缓存网络的物理层安全，从系统无线传输的机理分析、物理层安全传输设计、缓存策略优化、系统资源调度等多角度、系统性开展了相关的研究，具体包括：1）无线传输的机理分析：研究缓存的引入对窃听环境下系统无线传输保密中断概率的影响，推导保密中断概率的解析与渐进表达式，分析系统信噪比、缓存大小、中继节点数等关键参数对保密中断概率的显式影响，揭示缓存影响系统物理层安全传输的内在机理，为系统物理层安全传输的设计与优化奠定基础。2）物理层安全设计：在相关的窃听环境下，基于窃听信道的瞬时或统计信息，提出一种分布式保密分支切换驻留合并（DSSSC）的物理层安全设计方案，充分利用系统的空时资源，降低系统信道估计的复杂度并保障数据的安全稳定传输。3）缓存策略优化：通过最小化系统的保密中断概率，提出一种基于随机采样的学习式缓存策略（SacLe）的设计方法，深入挖掘系统的缓存资源，显著优于LCD与MPC等传统的缓存策略。4）系统资源调度：针对缓存辅助的边缘计算网络，基于联邦学习、Pareto优化等优化框架，对系统的计算、通信、存储等多维资源进行联合调度优化，进一步提升系统的综合性能。..课题的研究成果发表在IEEE Transactions on Communications、IEEE Transactions on Wireless Communications、IEEE Transactions on Information Forensics and Security等国际知名期刊上。在物理层安全领域的研究成果，课题负责人以第一完成人获得了2020年度教育部自然科学二等奖，还获得了2019年国际无线通信与信号处理大会十周年杰出论文奖、2020年度全国发明展览会金奖。培养的2名硕士研究生入选了广东省优秀硕士毕业生。