保密数据业务(例如,金融数据,医疗数据,银行账户信息等)的高速增长,带来了日益突出的信息安全问题。由于无线信道的广播特性和叠加特性,使无线通信系统容易遭受安全攻击(例如,恶意拦截和窃听),是安全通信和可靠通信面临的巨大挑战。在当前的无线网络中,主要通过在网络协议栈的上层使用基于密码学的加密技术来实现安全通信。然而,对于开放的无线网络环境,基于密码学的加密和解密技术在密钥分发和管理的过程中存在固有的困难和缺陷,并且计算复杂度高。考虑到无线网络终端的资源和能量限制,需要研究低复杂度的安全解决方案。得益于信息理论的发展与完善,物理层安全技术在不依赖上层密钥的情况下,可以实现保密消息的安全传输。特别是当主信道(定义为发送节点和目的节点之间的信道)比窃听信道(定义为发送节点和窃听节点之间的信道)具有更高的可靠性,保密消息经过安全编码后能够使窃听节点无法正确译码,而目的节点能够可靠译码。更重要的是,随着主信道和窃听信道的质量差距增大,安全性能会逐渐增强。物理层安全的性能指标主要包括安全速率和安全中断概率。在波束成型和预编码的基础上,通过发射人工噪声(Artificial Noise,AN)进一步降低窃听信道的信道质量,能够提高安全速率或降低安全中断概率。在多天线安全传输的基础上,利用节点之间的协作进一步提高安全性能吸引了越来越多的关注。协作安全传输的方法主要包括协作转发和协作干扰。协作转发方案中,协作节点通过转发保密消息能够有效提高目的节点的接收信号质量。该过程主要包括两个阶段:在第一阶段(广播阶段),协作节点接收发送节点发送的保密信号;在第二阶段,协作节点向目的节点转发保密信号。然而,广播阶段的安全传输是制约协作转发的关键因素。特别是当协作节点无法可靠接收保密信号时,信息泄露的风险大大增加。因此,本文研究利用协作干扰来实现物理层安全性能增强。在协作干扰方案中,协作节点发射干扰信号降低窃听信道的质量。发送节点向目的节点发送保密信号,同时发射人工噪声进一步降低窃听信道的质量。在发送节点功率受限的条件下,优化保密信号和人工噪声之间的功率分配对增强物理层安全性能至关重要。尽管多天线安全传输方案下的功率分配问题已经取得了一定的研究成果,但在协作干扰方案下该问题研究得并不充分,并且已有的成果不易于扩展到协作干扰方案。对此,本文系统地研究了面向物理层安全的协作干扰,包括基于安全中断概率最小化的协作干扰,以及基于安全速率最大化的协作干扰。特别地,针对协作节点向其目标用户提供服务的情况,本文提出一种自适应安全传输方案,实现了安全速率最大化,同时保障了协作节点向其目标用户提供可靠的服务质量(Quality of Service,QoS)。本文的主要的研究内容和创新点概括如下:(1)基于安全中断概率最小化的协作干扰研究。首先,针对存在多个窃听节点的场景,推导了安全中断概率的闭式表达式。在安全速率的约束条件下,通过优化保密信号和人工噪声之间的功率分配,实现了安全中断概率最小化。通过严格的数学推导,证明当窃听节点的数量增加,相应的安全中断概率增加;当发送节点的发射功率增加,更多的功率分配给人工噪声,相应的安全中断概率下降;当安全速率增加,更多的功率分配给保密信号,相应的安全中断概率增加。另外,当主信道质量改善,更多的功率分配给人工噪声,相应的安全中断概率下降。(2)基于安全速率最大化的协作干扰研究。针对存在多个窃听节点的场景,通过优化保密信号和人工噪声之间的功率分配,在满足安全中断概率的约束条件下,实现了安全速率的最大化。通过严格的数学分析,得到了安全速率大于零的条件,以及最优功率分配比例在高信噪比下的精确近似。此外,特别分析了安全能效性能(定义为安全速率和功率的比值)。最后通过严格的数学推导,证明当窃听节点的数量增加,更多功率分配给人工噪声,相应的安全速率下降;当主信道质量改善,更多的功率分配给保密信号,相应的安全速率增加。(3)基于协作干扰的自适应安全传输研究。将现有的协作干扰方案推广到更一般的场景,考虑了协作节点向其目标用户提供服务的情况。在满足服务质量要求的基础上,实现了发送节点和目的节点之间的安全通信。与传统的协作方案不同,我们提出了一种保障安全的动态协作机制。特别地,当无线信道质量变差导致无法同时满足安全性能要求和服务质量要求时,协作安全传输策略调整为协作干扰策略。我们提出的设计方案实现了安全传输策略的动态调整,具有灵活性和自适应性。