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无线协作中继技术作为第四代移动通信关键技术之一,具有抗干扰能力强、系统通信速率高、通信质量好等优势,在提升无线通信的有效性与可靠性方面性能优越。但无线通信的高度开放性也给协作中继系统带来了严峻的安全挑战,物理层安全技术为解决这种问题提出了新思路。目前,无线协作中继系统的物理层安全方法研究仍存在以下不足:1)基于物理层安全的中继分组机制不完善,系统保密容量低;2)防止不可信中继窃听的方案功率利用率较低;3)当窃听方的天线数足够多时,现有协作干扰与随机加权方法失效。针对上述问题,本文以国家自然科学基金“无线通信信道特征等效下的物理层安全性研究”为依托,对协作中继系统的物理层安全问题展开深入研究。首先,针对单一协作策略下保密容量低的问题,提出一种基于协作波束成型的分组协作安全传输方案;为进一步提升功率利用率和防止不可信中继,提出一种基于联合随机加权的物理层安全方法。最后,针对窃听用户多天线下人工噪声与随机加权方法失效的问题,提出一种基于空域跳信道的二阶跳空传输方案。具体研究内容如下:1、提出一种基于协作波束成型的中继分组协作物理层安全传输方案。首先,将中继前后两个信道级联,按照各中继级联信道增益大小将中继分成两组:协作干扰组和协作中继组;然后,协作干扰组中的中继相互协作,采用协作波束成型技术产生噪声波束,协作中继组中的中继相互协作采用协作波束成型产生信号波束;设计信号波束朝向合法用户,而噪声波束与之正交。最后,在总功率受限下,以最大化安全速率为目标进行功率优化分配。仿真结果表明:该方法比参考的中继协作方案所能获得的保密速率高,并且随着转发功率的增加而提升;相同功率下该方案中系统的性能提升最高可达0.6bps/Hz。2、提出一种基于联合随机加权的物理层安全方法。首先引入发送方与合法用户的直达径,构造从发送方到合法用户的联合信道;然后,发送方与中继相互联合,设计随机快变的加权系数,满足在发送方天线加权系数、中继放大转发系数与联合信道三个参数的共同作用下,合法用户接收信道稳定。仿真结果表明:不可信中继与外部窃听方的误码率(BER)逼近50%,而在信噪比(SNR)为10dB时合法用户的BER减小为103数量级。3、提出一种基于空域跳信道的二阶跳空物理层传输方案。发送方利用天线切换和跳空图样加权,构造基于等效空域传输信道的逐符号一阶跳空传输;中继虚拟成接收方多天线,利用时变波束接收系数进行加权转发,构造基于等效空域传输信道的逐符号二阶跳空传输。仿真结果表明:该方案能够保证合法用户BER的同时,窃听方BER逼近50%。