无线通信技术在过去的几十年内得到了极大的革新。随着技术的进步和业务的拓展，无线网络用户除了着眼于高效传输这一传统服务需求外，对于无线网络安全方面的需求也日益增长。然而，由于无线通信的广播特性，无线网络的安全比有线网络面临着更大的威胁。因此，无线网络的安全保护已成为工业界和学术界共同关注的重点领域。　　目前，基于密码学的安全方案是保护无线网络安全的主要途径，大量新的加密算法和安全协议被提出用以抵抗不断涌现的安全威胁。在此之外，基于信息论安全的物理层安全方案也在近年来得到广泛的关注，逐渐成为辅助密码学安全方案的重要手段。物理层安全的一个重要特性是无需密钥就可进行安全传输，因此其可以在安全传输信道建立前辅助进行安全认证。同时，在一些如移动自组织网络、移动车联网等密钥协商相对困难的网络，物理层安全也可作为密码学安全策略的有效补充。　　综上所述，物理层安全技术对于无线网络的保护有着重要的意义。基于此，本文希望在尽可能不影响传输效率的同时利用无线网络物理层资源来进一步保证无线网络的安全。在此研究动机下，本文通过将物理层安全技术与协同通信和多输入多输出这两大无线网络关键技术相结合，从而提升多天线协同通信网络的安全性能。　　本文研究的核心是为多天线协同通信网络设计物理层安全方案，从而解决基于物理层的安全传输问题。针对该问题，本文对协同通信网络中三种基本传输信道模型提出了基于物理层安全的传输方案，并将这些方案应用于实际的协同通信网络中。本文的主要贡献可归结如下：　　首先，本文针对多天线多对双向中继信道提出了新的安全信息交换方案。该方案通过两种途径达到安全传输，即信号对齐途径和物理层加密途径。对于信号对齐，通过方向旋转对齐技术，同一对用户的信号被对齐到同一方向从而在中继或窃听者处形成和信号。而对于该和信号，攻击者没有能力恢复出用户发送的原有信息，从而达到安全传输。对于物理层加密方案，密钥矩阵被嵌入预编码矩阵中从而隐藏发送信息。对于提出的安全传输方案，我们在三种攻击环境下分别推导了安全信道容量，这三种攻击环境包括：非可信中继的攻击，可信中继下额外窃听者的攻击，以及非可信中继下额外窃听者的攻击。据我们了解，在双向中继信道中，我们提出的方案是第一个可同时抵抗这三种攻击的安全方案。最后，通过实验仿真，我们验证了提出方案的性能优势。　　其次，本文针对多天线多跳中继信道提出了新的安全信息交换方案。提出的方案包括了基本方案和改进版方案。其中基本方案通过在中继形成和信号保证两个相距n跳的用户在n+1个时隙内完成信息交换，而n+1时隙被证明为半双工模式下最小时间消耗。针对基本方案，我们提出了类比于流密码的安全性分析，这种安全性分析也是本文独有的物理层安全性分析方法。通过该方法，我们分析出两类信息泄露隐患，而这两类隐患是现有基于和信号物理层安全方案的共有隐患。针对这两类隐患，两种改进版方案被提出。此外，我们还推导了基本方案的安全信道容量。最后，通过实验仿真，我们对比评测了提出方案与现有其它方案在传输效率和安全方面的性能优劣。　　再次，本文针对多天线多向中继信道提出了新的群信息安全交换方案。该方案保证了多个用户通过一个中继在两个时隙内完成群信息交换。为了保护传输消息不被非可信中继或额外窃听者窃取，相邻用户的消息被对齐在同一方向从而形成和信号。而该和信号不能被非可信中继或额外窃听者恢复出各用户发送的消息信息。同时，本文推导了该方案在不同攻击环境下的安全信道容量。最后，实验仿真结果证实了提出方案的理论性能分析。　　最后，本文提出的物理层安全方案被应用于三种不同的实际协同通信网络中。第一，针对多天线移动自组织网络，我们提出的协议可保证两个距离多跳的用户可无需密钥协商下安全的进行信息交换。第二，针对无线传感器网络，我们提出的协议保证了传感器节点可以通过多个协助节点将其收集的本地信息发送给汇聚节点。第三，针对车载自组织网络，我们提出的协议保证了多个车载节点可以通过一个路边基础设施进行安全的信息交换。