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人类社会正在大步迈入万物互联(Internet of Everything)的时代，人们越来越依赖于通过无线网络传播各式各样的信息，其中包括大量的隐私、敏感信息，比如财务明细、身份验证、医疗记录等。保护私密信息安全传输的重要性不言而喻，保护无线网络安全已经成为了网络设计者的当务之急。然而，无线网络的开放式结构和无线通信的广播特性给保护无线网络安全带来了前所未有的挑战，单纯依靠密码学高层加密的安全技术在许多实际场景中遇到了困难，比如在分布式网络中密钥的管理和分发不易实施，计算能力有限的无线设备不宜使用复杂的加解密算法等。
物理层安全为保护无线网络安全提供了新的思路。物理层安全是一种信息论意义上的“完美”(Perfect)安全，它通过利用无线信道固有的随机特征实现无线信号的安全传输。物理层安全有望成为传统高层加密安全机制的一种有效互补措施，为无线网络提供最底层的安全壁垒。因此，研究无线网络中的物理层安全具有重要意义。
本论文以随机无线网络中的信息安全传输为研究对象，系统地考察了有基础设施的蜂窝网络和无基础设施的AdHoc网络中的物理层安全传输方法。研究工作主要涉及系统建模、信号设计、参数优化和性能分析等多个方面。本论文的主要贡献可以归纳为以下几点:
1)考察了蜂窝网络中的物理层安全传输问题。从发射信号设计、保密编码参数优化、移动接入控制等方面入手，分别研究了基于人工噪声辅助型多天线发射技术对抗随机分布窃听方的单层蜂窝网络和多层异构蜂窝网络(Heterogeneous Cellular Network, HCN)中的物理层安全传输。具体而言：
1.针对蜂窝网络下行链路的安全性能优化问题，基于人工噪声发射技术，提出了保密编码速率和人工噪声功率分配联合设计的策略。首先针对固定速率传输，提出了基于合法信道瞬时信道状态信息(Channel State Information, CSI)的自适应人工噪声功率分配方案，从而获得了最小的保密中断概率。为了提升在保密中断概率约束下的保密吞吐量，分别提出了动态和静态参数传输方案，并给出了显式的参数设计结果。动态参数传输方案根据合法信道瞬时CSI自适应地调整保密编码速率和人工噪声功率分配因子等参数，获得了最大的保密吞吐量。静态参数传输方案根据合法信道统计CSI设计传输参数并在传输过程中对参数不作调整，从而极大地降低了设计复杂度，而且在窃听节点分布稀疏或者保密中断概率容忍度高的通信环境下所达到的保密吞吐量性能与动态方案的性能极为接近。
2.针对多层HCN中的全网安全性能分析问题，基于面向安全的移动接入策略和人工噪声发射方案，建立了从中断角度研究HCN物理层安全的随机几何分析框架。传统的移动接入策略往往关注链路质量和蜂窝负载的问题，缺乏对网络安全的考虑。本文所提的基于接入阈值的移动接入策略，通过将用户连接至提供最大平均接收信号功率的基站并且闲置平均接收信号功率低于接入阈值的用户，有效地减少了网络干扰，从而提升了信号传输的可靠性。基于所提的移动接入策略，本文研究了接入网络任意一层的移动用户的连接概率和保密概率，给出了易于处理的闭式表达式。本文进一步评估了移动接入阈值和人工噪声功率分配因子对全网保密吞吐量以及平均用户保密吞吐量的影响，并指出，通过合理选择接入阈值可以显著提升全网保密吞吐量。
2).考察了无线AdHoc网络中的物理层安全传输问题。从收发信号设计、网络部署参数优化和全网性能分析三方面入手，分别研究了基于全双工接收机阻塞技术对抗随机分布窃听方的单层无线AdHoc网络和双层异构AdHoc网络中的物理层安全传输。具体而言：
1.针对单层无线AdHoc网络中的全网安全性能优化问题，基于单天线全双工接收机阻塞技术，提出了全/半双工接收机混合部署策略。利用全双工接收机同时接收有用信号并发射阻塞信号干扰潜在窃听方，可以有效地降低信息被窃听的可能性。然而，全双工接收机会对自身以及网络中其它接收机造成干扰，如果网络中所有接收机都工作在全双工模式，严重的网络干扰很有可能导致网络瘫痪。本文提出的全/半双工接收机混合部署策略有效地克服了这一困难，通过合理设计全/半双工接收机的分配比例，在传输可靠性和保密性之间达到了良好的平衡。基于所提的混合部署策略，本文分别从网络负载、谱效和能效三个方面入手考察了单位面积安全链路数、全网保密吞吐量以及全网保密能效，并且给出了最优化上述指标的全/半双工接收机分配结果。
2.针对双层异构无线AdHoc网络中的全网保密吞吐量最优化问题，基于多天线全双工空域自干扰抵消策略，提出了最优的全双工接收机部署密度设计方案。考虑一个保密和非保密通信层共存的双层异构AdHoc网络，其中保密通信层采用全双工接收机同时接收有用信号并发射阻塞信号干扰窃听方，而非保密通信层采用半双工接收机仅接收有用信号。多天线全双工接收机采用空域自干扰抵消策略有效地消除了自干扰，然而仍将给保密和非保密通信层中的其它接收机引入干扰，所以全双工接收机的部署密度在保密通信层的链路质量与全网保密吞吐量以及非保密通信层的全网吞吐量之间起到了重要的折中作用。本文所提的最优全双工接收机部署密度设计方案，在满足非保密通信层最小全网吞吐量需求的前提下，使保密通信层获得了最大的全网保密吞吐量。
物理层安全为保护无线网络安全提供了新的思路。物理层安全是一种信息论意义上的“完美”(Perfect)安全，它通过利用无线信道固有的随机特征实现无线信号的安全传输。物理层安全有望成为传统高层加密安全机制的一种有效互补措施，为无线网络提供最底层的安全壁垒。因此，研究无线网络中的物理层安全具有重要意义。
本论文以随机无线网络中的信息安全传输为研究对象，系统地考察了有基础设施的蜂窝网络和无基础设施的AdHoc网络中的物理层安全传输方法。研究工作主要涉及系统建模、信号设计、参数优化和性能分析等多个方面。本论文的主要贡献可以归纳为以下几点:
1)考察了蜂窝网络中的物理层安全传输问题。从发射信号设计、保密编码参数优化、移动接入控制等方面入手，分别研究了基于人工噪声辅助型多天线发射技术对抗随机分布窃听方的单层蜂窝网络和多层异构蜂窝网络(Heterogeneous Cellular Network, HCN)中的物理层安全传输。具体而言：
1.针对蜂窝网络下行链路的安全性能优化问题，基于人工噪声发射技术，提出了保密编码速率和人工噪声功率分配联合设计的策略。首先针对固定速率传输，提出了基于合法信道瞬时信道状态信息(Channel State Information, CSI)的自适应人工噪声功率分配方案，从而获得了最小的保密中断概率。为了提升在保密中断概率约束下的保密吞吐量，分别提出了动态和静态参数传输方案，并给出了显式的参数设计结果。动态参数传输方案根据合法信道瞬时CSI自适应地调整保密编码速率和人工噪声功率分配因子等参数，获得了最大的保密吞吐量。静态参数传输方案根据合法信道统计CSI设计传输参数并在传输过程中对参数不作调整，从而极大地降低了设计复杂度，而且在窃听节点分布稀疏或者保密中断概率容忍度高的通信环境下所达到的保密吞吐量性能与动态方案的性能极为接近。
2.针对多层HCN中的全网安全性能分析问题，基于面向安全的移动接入策略和人工噪声发射方案，建立了从中断角度研究HCN物理层安全的随机几何分析框架。传统的移动接入策略往往关注链路质量和蜂窝负载的问题，缺乏对网络安全的考虑。本文所提的基于接入阈值的移动接入策略，通过将用户连接至提供最大平均接收信号功率的基站并且闲置平均接收信号功率低于接入阈值的用户，有效地减少了网络干扰，从而提升了信号传输的可靠性。基于所提的移动接入策略，本文研究了接入网络任意一层的移动用户的连接概率和保密概率，给出了易于处理的闭式表达式。本文进一步评估了移动接入阈值和人工噪声功率分配因子对全网保密吞吐量以及平均用户保密吞吐量的影响，并指出，通过合理选择接入阈值可以显著提升全网保密吞吐量。
2).考察了无线AdHoc网络中的物理层安全传输问题。从收发信号设计、网络部署参数优化和全网性能分析三方面入手，分别研究了基于全双工接收机阻塞技术对抗随机分布窃听方的单层无线AdHoc网络和双层异构AdHoc网络中的物理层安全传输。具体而言：
1.针对单层无线AdHoc网络中的全网安全性能优化问题，基于单天线全双工接收机阻塞技术，提出了全/半双工接收机混合部署策略。利用全双工接收机同时接收有用信号并发射阻塞信号干扰潜在窃听方，可以有效地降低信息被窃听的可能性。然而，全双工接收机会对自身以及网络中其它接收机造成干扰，如果网络中所有接收机都工作在全双工模式，严重的网络干扰很有可能导致网络瘫痪。本文提出的全/半双工接收机混合部署策略有效地克服了这一困难，通过合理设计全/半双工接收机的分配比例，在传输可靠性和保密性之间达到了良好的平衡。基于所提的混合部署策略，本文分别从网络负载、谱效和能效三个方面入手考察了单位面积安全链路数、全网保密吞吐量以及全网保密能效，并且给出了最优化上述指标的全/半双工接收机分配结果。
2.针对双层异构无线AdHoc网络中的全网保密吞吐量最优化问题，基于多天线全双工空域自干扰抵消策略，提出了最优的全双工接收机部署密度设计方案。考虑一个保密和非保密通信层共存的双层异构AdHoc网络，其中保密通信层采用全双工接收机同时接收有用信号并发射阻塞信号干扰窃听方，而非保密通信层采用半双工接收机仅接收有用信号。多天线全双工接收机采用空域自干扰抵消策略有效地消除了自干扰，然而仍将给保密和非保密通信层中的其它接收机引入干扰，所以全双工接收机的部署密度在保密通信层的链路质量与全网保密吞吐量以及非保密通信层的全网吞吐量之间起到了重要的折中作用。本文所提的最优全双工接收机部署密度设计方案，在满足非保密通信层最小全网吞吐量需求的前提下，使保密通信层获得了最大的全网保密吞吐量。