太赫兹系统物理层安全关键技术研究

Terahertz communications will be one of the most important technologies for the six-generation (6G) wireless communications. It has the characteristics of low quantum energy, large bandwidth and strong penetration ability, and is the key to supporting the diversified new services in the future wireless communication systems. The scattering characteristics of the terahertz signal enable eavesdropper to directly use the scatter beam to eavesdrop on private information, so the security of terahertz communication systems is challenged entirely. In order to cope with these challenges, this project is aimed at the physical layer security problem in the future terahertz wireless communication systems. The obstacle scattering characteristics will be analyzed in depth, and the mirror reflector-based transmission scheme will be designed. In addition, by introducing relaying technology into terahertz communication systems, and analyzing the social relationships among relay nodes, we will design an intelligent cooperative secure communication scheme based on user behavior. Based on the above research, a robust secure transmission mechanism under the imperfect channel state information of the terahertz band will then be explored to improve the secrecy performance of information transmission. The research results of this project will provide an important theoretical basis for the security design of future 6G mobile communication systems.

太赫兹通信技术将是未来6G无线通信的关键技术之一，它具有低量子能量、大带宽、良好的穿透性等特点，是支撑未来多样化新型业务的关键。太赫兹信号的散射特性使得窃听用户可直接利用散射波束窃听隐私信息，因此，太赫兹通信系统的安全受到了全新的挑战。为应对这些挑战，本项目拟针对未来太赫兹无线通信系统中的物理层安全问题，深度分析障碍物散射特性，建立基于镜面反射天线的安全波束引导方案；借助协作技术以及中继节点之间的社交属性，设计用户信任感知的智能协作安全通信方案；在此基础上，探索太赫兹频段非完美信道状态信息下的鲁棒传输方案，提升信息传输安全性能，为未来6G移动通信系统的安全设计提供重要理论依据。

太赫兹通信技术以其超大带宽和超高通信速率等技术特点成为未来第六代移动通信的重要使能技术之一。同时，太赫兹信号传输的高方向性和极窄波束特性，可使无线信号定向传输，降低了非授权用户对信息的恶意窃听的可能，极大地增强了信息传输安全性。本项目将太赫兹通信技术和物理层安全通信技术相结合，围绕”如何在深度分析障碍物散射特征的前提下，实现高鲁棒太赫兹安全通信”这一核心科学问题，研究未来无线通信系统中太赫兹频段的安全通信理论和技术。主要研究内容包括：1）智能反射面辅助通信场景下的太赫兹安全信息传输。建立了多个智能面反射辅助的鲁棒物理层安全通信方案，设计了发送端混合波束和智能反射面反射相移矩阵联合优化算法，最大化系统保密性能；2）太赫兹阻塞特性感知的鲁棒安全传输方案。深度分析了太赫兹场景下障碍物对通信性能的影响，将障碍物的阻塞特性建模到信道层面，有效提升了太赫兹安全通信的实用性；3）无人机辅助的智能安全传输。将空中智能反射面引入到安全通信系统，利用空中平台的自由部署特性和额外空间维度资源，联合设计了发射波束、相移矩阵、无人机飞行轨迹的优化算法；4）无线供能的协作安全通信系统设计。基于无线信息和能量同传，提出了基于全双工中继的新型时间切换协议，分时段复用中继天线资源实现无线信号能量 收割和合法信息高安全协作转发，最大化系统保密率性能。本项目研究成果形成并发表论文11篇，其中期刊论文7篇：包括IEEE Transactions on Vehicular Technology，Proceedings of the IEEE，IEEE Wireless Communications Letters等；国际会议论文4篇：包括IEEE ICCT、IEEE VTC等；申请国家发明专利2件。项目研究成果可为未来无线通信系统高频段安全通信技术发展提供基础理论和技术参考。