认知蜂窝网络中物理层信息安全传输技术研究

Physical layer security techniques provide a new perspectiveto solve the information security problem in cognitive cellular networks. This proposal studies the physical layer security information theory in cognitive cellular networks for next generation mobile applications, analyses the tradeoff among security, reliability, effectiveness and energy efficiency, and establishes the theoretical framework forsecuretransmission which considers mainly the security performance and takes into account other performance. Under the guidance of these results, communication signal processing and radio resource management methods are investigated to enhance the physical layer security performance. Using interference alignment for reference, the mutual interference between primary network and the secondary network, and cooperative jamming will be efficiently managed and utilized, and the optimal precoding/beamforming schemes will be designed to enhance the physical layer security performance. Considering the fact that cognitive cellular networks are large scale，heterogeneous and have multiple tiers, and that the characteristics of node location，channel fading and strategic action changes dynamically, we adopt the hierarchical game model and stochastic differential inequality to analyze the existence, uniqueness and Pareto optimality of the stochastic equilibrium. Based on the achieved theoretic results, we then design the optimal dynamic and hierarchical resource allocation schemes to improve the network security performance.

物理层安全技术为保障认知蜂窝网络中信息安全传输提供了新的思路。针对安全敏感业务的传输问题，本项目深入研究面向下一代移动应用的认知蜂窝网络中物理层安全信息理论，揭示安全性和可靠性、有效性、能效性之间的折衷关系，建立以安全性为中心兼顾其它性能的安全传输理论框架，在此指导下，探寻增强物理层安全性能的通信信号处理和无线资源管理方法。借鉴干扰对准思想，高效管理和利用主、次网络之间的相互干扰及协同人工干扰，设计优化的预编码/波束赋形方案来增强物理层安全性能；针对认知蜂窝网络大规模、多层、异构混合的组网特点和节点位置、信道以及用户行为的动态变化特征，基于异构博弈模型和随机变分不等式设计能兼顾存在性、唯一性和帕累托最优性的多层资源分配方案，以改善认知蜂窝网络物理层安全性能。

认知蜂窝网络中物理层安全技术是未来移动通信系统中一项很有潜力的技术。本项目首先对蜂窝认知网络中安全性和可靠性、有效性、能效性之间的折衷关系进行建模和分析；进而，针对面向下一代移动应用的认知蜂窝网络中大规模部署的网络节点、多层异构的混合组网方式，运用随机几何理论建立了能够刻画节点类型多样化、节点位置分布随机化和网络干扰复杂化等特点的物理层安全理论分析模型；在此基础之上，研究了大规模认知蜂窝网络的物理层安全性能，分析了各种网络参数和不同传输策略对大规模认知蜂窝网络的物理层安全性能的影响；为了进一步增强物理层安全性能，借鉴干扰对准思想，联合设计了预编码和协同人工干扰方案；对于有限字符集输入系统，提出了改善系统物理层安全性能的信号处理方法；最后，采用斯塔克尔伯格博弈解决了认知蜂窝网络中功率分配问题以及考虑非理想信道状态信息下优化资源配置实现全局最佳的网络安全传输性能。. 通过项目的开展，本课题在认知蜂窝网络的物理层安全传输理论、信号处理以及资源管理等方面均取得了丰硕的研究成果，在《IEEE Journal on Selected Areas in Communications》、《IEEE Transactions Wireless Communications》、《IEEE Transactions on Vehicular Technology》、《IEEE Transactions on Information Forensics and Security》和ICC等国内外核心期刊和会议上发表论文67篇，其中SCI检索33篇，EI检索28篇；申请国家发明专利10项，已获得授权2项；出版学术专著《协同通信技术》、译著《多天线无线系统中用于安全物理层通信的信号处理方法》各1部。同时，在项目执行期间，组织人员参加了13个国内外重要的学术会议；培养了硕博士研究生8名。本课题的创新性研究为实现认知蜂窝网路中信息安全传输提供理论和方法依据。