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随着无线通信技术近年来迅速发展,通信服务的质量和数据传输速度不断地得到提升。安全问题依旧是无线通信理论的一个重要问题。物理层安全根据无线信道的特性,以信息论的角度,从底层提高系统的安全性能。但随着网络复杂度的增大,传统的基于安全速率的物理层安全机制难以提供有效方案。本文主要针对蜂窝网中多天线输入多天线输出(Multiple-input Multiple-output,MIMO)下行链路,提出基于均方误差(Mean Square Error,MSE)的物理层安全机制,有效的利用了设备到设备技术(Device-to-device,D2D)以及中继节点对网络的影响,在保证各自传输质量同时,充分提高了整个网络的物理层安全性能。传统的物理层安全预编码方案根据可达安全速率计算无线系统的安全极限时,其计算复杂度很高,对于存在协作节点的MIMO复杂网络更是难以实现,安全性能不能得到保障。均方误差作为估计理论中的常用指标,计算复杂度低且处理方便。本文将安全理论与估计理论联系起来,证明了可达安全速率(互信息的差)与MSE的关键联系,即可达安全速率等于窃听端MSE与目标接收端MSE一种特殊差的积分或某条件下渐进等于MSE间的差。并基于上述理论提出两种基于MSE的优化物理层安全的预编码方案——虚拟信号功率预编码(Virtual-signal-power Precoding,VSP)方案与低信号功率预编码(Low-signal-power Precoding,LSP)方案。为物理层安全理论应用到MIMO协作链路提供参考方案。为了进一步提高物理层安全,本文引入了干扰协作和中继协作技术。在D2D用户完成信息传输的同时,对窃听方产生强于目标接收用户的干扰,进而有效的提升可达安全速率。中继协作在增强目标接收用户接收的同时,还可以为窃听用户提供干扰抑制,进而解决由于窃听用户信道优于目标接收用户信道所带来的破坏安全传输的问题。对于上述复杂MIMO下行链路,基于安全速率的物理层安全技术难以实现,但是本文提出的基于MSE的VSP与LSP可以给出有效的解决方案。具体的数学证明与仿真分析为上述理论提供有力支撑。本文通过提出上述基于MSE物理层安全机制,有效解决传统利用安全速率所解决不了的物理层安全问题。为物理层安全理论的发展提供新思路。