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移动智能终端的快速发展和网络容量的爆炸式增长导致无线频谱资源日益紧张。D2D(Device-to-Device)通信作为面向5G的关键候选技术,可显著提高频谱利用率,并满足终端用户更高的体验需求。然而,与传统的蜂窝通信相比,D2D通信不再需要基站(BS)的转发,且移动终端安全计算能力有限,这都导致D2D通信链路更容易遭受安全威胁。目前大多数研究中,关于D2D通信系统物理层安全(PLS)问题的模型通常为点到点网络,而实际存在安全隐患的网络中窃听节点(Eves)的位置分布一般是随机的。因此,采用随机几何理论假设Eves的空间位置服从泊松点过程(PPP),可更贴近实际情况分析D2D通信安全问题。本文主要研究存在Eves的D2D通信网络,针对实际场景采用齐次泊松点过程(HPPP)对网络中的用户和Eves进行建模。对于不同窃听环境下D2D系统的安全性能,本文提出了相应的安全增强技术,并利用随机几何工具对其安全表达式进行推导,最后仿真验证了其有效性。论文的主要内容和贡献如下:1.对无源窃听环境,假设网络中Eves不可相互串通,只可单独接收D2D用户(DU)的信息并解密。1)针对单小区网络,分析推导了蜂窝用户(CU)、DU连接覆盖率以及DU安全概率表达式。为提高CU传输可靠性和DU传输安全性,提出联合CU和DU保护区域的概念,并仿真验证了其对CU连接覆盖率与D2D安全传输概率的影响;2)针对多小区网络,分析了小区间的通信干扰对CU、DU连接覆盖率以及DU安全概率的影响。为提高D2D链路安全传输性能提出基于链路增益限制的接入控制方案,推导了D2D链路有效保密吞吐量(EST)的闭式解析式。仿真结果表明了该方案在DU密度较大时可实现较高的EST,且当只考虑接入门限时,在满足CU连接可靠性的前提下,可实现EST的最大化。2.对有源窃听环境,假设网络中Eves可将接收的信息转发到一个中心Eve进行合作解密。1)针对前述多小区网络,推导了D2D链路的可达安全传输速率,仿真对比无源窃听环境,发现Eves合谋确实给DU安全带来了一定的挑战;2)为进一步分析Eves合谋场景下D2D链路的安全通信问题,主要考虑STMRME(Single Transmitter Multiple Receivers Multiple Eves)场景,对合法接收节点到DU的距离按升序排列,推导了D2D链路的安全中断概率,并分析了通信距离对DU安全的影响。针对Eves合谋造成的安全问题,研究了合法用户合作接收方案,最后仿真结果验证了该方案确实可在一定程度上提高有源窃听环境下D2D链路的安全传输性能。