由于传输媒介的开放性和广播性的特点,确保无线通信的安全性一直是一个严峻的挑战。传统通信保密技术主要采用密钥加密技术对数据在上层进行加密,是“计算上安全”。但是传统的方法忽视了通信的物理层安全,使物理层成为当前无线通信安全的短板。因此,为无线通信的物理层打造坚不可摧的保密技术是当前最迫切要解决的问题。物理层安全是信息论意义上的安全,与“计算上安全”不同,它无关窃听者的计算能力。物理层保密通信技术通过利用合法信道和窃听信道的差异性设计编码方案和处理发射信号以保障私密信息传输的安全性。论文以多天线无线物理层保密传输技术为研究对象,系统地研究了其中两种常用技术:安全波束形成(Secure Beaforming)和人工干扰(Artificial Jamming)。安全波束形成通过设计波束的方向在最大化合法接收机信号接收质量的同时,最小化泄露给窃听者的私密信息,而人工干扰则通过发射干扰信号以降低窃听者的信号接收质量。多天线系统包括多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)系统和协作系统,其中协作系统一般被称为虚拟MIMO系统。针对不同的多天线系统自身的特点,论文为其量身定做了物理层保密传输方法,并分析了其可达的安全性能。本论文的主要贡献可被归纳为以下几点:1.提出了MIMO保密传输中的信道训练开销、反馈开销、私密信号和人工干扰的联合优化框架。在MIMO窃听信道中,为保护私密信息的安全传输,发射机同时发射私密信号和人工干扰,其中发射预编码矩阵的设计依赖于合法接收机的信道估计质量和反馈信息的质量。虽然在信道训练和反馈上花费的资源越多,发射机估计到的信息就越精确,但是这会减少用于私密信号传输的系统资源,从而会降低系统可达的有效遍历安全传输速率。因此在信道训练、反馈和信号传输之间存在最优的折中。为最大化系统可达的有效遍历安全传输速率,论文提出了一种联合优化信道训练开销、反馈开销、私密信号和人工干扰的迭代优化算法。2.提出了分布式天线系统中基于信道大尺度衰落信息的保密传输技术,并给出了各个天线端口(Antenna Port,AP)中私密信号和人工干扰的联合优化方法。相干保密传输技术需要AP之间严格的相位同步和瞬时信道信息。为降低AP与中央处理器之间所需的回程链路容量和系统实现的复杂度,论文利用信道大尺度衰落信息为分布式天线系统设计了低复杂度的保密传输方案。在所提出的保密传输技术中,各个AP独立地发射私密信号和干扰信号,无需相干发射,其中每个AP的发射功率根据合法信道和窃听信道的大尺度衰落信息进行优化以实现系统遍历安全传输速率的最大化。3.提出了协作系统中混合的机会中继选择和协作干扰保密传输方案,并给出了中继选择和干扰功率的联合优化方法。由于协作系统存在两阶段的信息泄露,因此协作传输的安全性受到严重威胁。针对译码转发(Decode-and-Forward,DF)协作网络,为最大化网络可达的遍历安全传输速率,论文提出了一种混合的机会中继选择和协作干扰的保密传输技术。具体说来就是,选出一个最优的中继转发私密信号,同时其余中继节点协作地发射干扰信号以保护私密信号的两阶段传输。机会中继选择可以充分地利用系统空间分集增益最大化合法接收机的接收质量,而协作干扰可以充分地利用系统的可用空间自由度发射干扰信号阻塞潜在的窃听者。论文进一步分析了信道信息过期对该方案安全性能的影响。4.提出了协作系统中混合的协作转发和协作干扰的鲁棒联合优化框架。针对放大转发(Amplify-and-Forward,AF)协作网络,提出了一种协作安全波束形成和协作干扰的鲁棒联合优化方法。当精确的窃听信道信息无法获得时,根据非理想的窃听信道信息设计的协作安全波束形成和协作干扰将不可避免地会导致私密信号和干扰信号的泄露,从而恶化协作系统的安全性能。假设仅知道窃听信道的非理想信息,基于鲁棒优化的思想,论文提出了一种协作安全波束形成和协作干扰的联合优化方法以最大化系统可达的最差安全传输速率(Worst-Case Secrecy Rate)。5.提出了一种基于机会干扰节点选择的协作干扰方案,并给出了选择门限的优化方法。针对存在多个单天线干扰节点和多天线窃听者的单输入多输出(Single-Input Multiple-Output,SIMO)窃听信道,论文提出了机会的干扰节点选择准则以最大化窃听信道的平均安全吞吐量和平均遍历安全传输速率。地理位置分散的干扰节点很难相干协作地发射干扰信号。可是,如果干扰节点不相干协作地发射干扰信号,窃听者和合法接收机的接收质量则同时会受到损害。为权衡系统实现的复杂度和可达的安全性能,论文提出了一种机会的干扰节点选择方法。具体说来就是,通过选择那些信道方向与合法信道方向近似正交的干扰节点独立地发射干扰信号,从而在干扰窃听者的同时尽可能地保护合法接收机免受干扰。最后,论文又分别给出了最大化系统可达平均安全吞吐量和平均遍历安全传输速率的干扰节点选择门限的优化算法。