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无线通信已逐步迈进5G时代。5G使万物互联成为可能的同时也给信息安全带来了巨大的挑战。近年来，物理层安全方法在信息安全的研究中开始扮演着越来越重要的角色。与传统基于密钥交换的加密机制不同，物理层安全利用无线信道的固有属性来保证信息安全传输。定向调制(Directional Modulation,DM)技术以其可以定向地发送保密信息确保信息安全而备受关注。但以传统相控阵(Phased-array,PA)为核心的DM技术只能在方位上确保信息安全，而在距离维上无法增强系统安全性。频控阵(Frequency Diverse Array,FDA)的出现有效地解决了这个问题。频控阵以其能够产生同时具有方位和距离相关性的波束方向图，在雷达、物理层安全通信等领域有着潜在的应用。
本文以频控阵DM技术为核心在物理层安全通信领域开展了相关的理论研究，具体研究内容如下：
(1)提出了衰落信道中基于频控阵的物理层安全通信方案：衰落是无线信道的一种固有特性，在衰落信道中开展频控阵物理层安全的研究具有重要意义。针对频控阵相关研究中接收信号时变性的问题，本文提出了一种接收信号处理方法，这种方法能够有效地解决接收信号的时变性问题。紧接着，针对窃听用户接收信干噪比(Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio,SINR)处理繁琐的问题，本文推导了窃听用户接收SINR的一种近似表达式，为后续的性能分析带来了方便。基于此，本文推导了平均安全容量、非零安全容量概率和安全中断概率性能指标对应的近似闭合表达式。同时，为了深入地分析系统安全性，本文进一步推导了高SINR时平均安全容量的上界和安全中断概率的下界。特别地，为了获得平均安全容量的上界，本文还推导出了指数积分函数的一种近似表达式。基于这些性能表达式，本文对系统的相关性能进行了分析，并将其与相控阵物理层安全方案相应的安全性能进行了对比。
(2)研究了关键系统参数对频控阵物理层安全的影响：为了研究信道质量对系统安全性能的影响，本文先将基于频控阵物理层安全的研究推广到通用的Nakagami-m衰落场景中。同时采用人工噪声(Artificial Noise,AN)协助的方法来增强系统安全性。基于该信道模型，本文考虑平均安全容量、非零安全容量、安全中断概率和安全吞吐量性能指标，并推导了相应的闭合性能表达式。通过这些性能表达式，本文从理论上分析了距离、保密信息功率分配因子、频偏、衰落参数、合法用户与窃听用户相对于信源的方位差以及安全速率门限等关键参数对系统性能的影响。另外，本文还推导了窃听用户可能的零窃听区域和最大窃听区域，并分析了窃听用户的可能窃听位置对安全中断性能的影响。
(3)提出了一种基于频控阵DF中继的SWIPT物理层安全模型：无线信息和功率同步传输(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)和中继技术分别以其能够解决无源设备远程充电和扩大网络覆盖范围而备受关注。本文在频控阵DM安全系统中同时考虑中继和SWIPT技术，提出了一种基于频控阵译码转发(Decode and Forward,DF)中继的SWIPT物理层安全系统模型。为了提高安全性，该模型从两个时隙来加强信息安全：第一个时隙，合法用户发射人工噪声(AN)，为中继提供部分能量来源的同时对窃听用户造成干扰。第二个时隙，中继采用频控阵DM技术定向地转发保密信息来保证信息安全，同时发射AN信号干扰窃听用户。由于中继与合法用户均对主网络的信息绝对了解，可以根据需要将其接收信号中的AN移除，避免造成不必要干扰。针对该SWIPT安全模型，本文考虑时隙转换(Time Switching,TS)和功率分割(Power Splitting,PS)两种中继方案，利用矩母函数(Moment Generating Function,MGF)分别推导出了TS和PS中继方案对应的遍历安全容量最简表达式，并分析了两种中继方案的安全性能。
(4)提出了一种基于频控阵伪装欺骗的物理层安全方案：频控阵发射信号的特性使得相应接收信号与正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplex,OFDM)信号在形式上存在着非常大的相似性。在被动窃听场景中，窃听用户在无法获取主网络任何信息的情况下可能将其接收信号当做OFDM信号处理。因此，频控阵在伪装其发射信号的同时欺骗了窃听用户。针对这样一种情况，本文提出了一种基于频控阵伪装欺骗的物理层安全通信方案。在该方案中，窃听用户对其接收信号采用与合法用户完全不同的处理方法，不同于现有文献中窃听用户与合法用户同样的接收信号处理方法(传统方案)。此外，基于所提出的安全方案，本文通过推导系统的平均安全速率、连接中断概率、安全中断概率以及安全吞吐量分析了所提方案的相应性能，并与传统方案及相应的相控阵方案进行对比。
本文以频控阵DM技术为核心在物理层安全通信领域开展了相关的理论研究，具体研究内容如下：
(1)提出了衰落信道中基于频控阵的物理层安全通信方案：衰落是无线信道的一种固有特性，在衰落信道中开展频控阵物理层安全的研究具有重要意义。针对频控阵相关研究中接收信号时变性的问题，本文提出了一种接收信号处理方法，这种方法能够有效地解决接收信号的时变性问题。紧接着，针对窃听用户接收信干噪比(Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio,SINR)处理繁琐的问题，本文推导了窃听用户接收SINR的一种近似表达式，为后续的性能分析带来了方便。基于此，本文推导了平均安全容量、非零安全容量概率和安全中断概率性能指标对应的近似闭合表达式。同时，为了深入地分析系统安全性，本文进一步推导了高SINR时平均安全容量的上界和安全中断概率的下界。特别地，为了获得平均安全容量的上界，本文还推导出了指数积分函数的一种近似表达式。基于这些性能表达式，本文对系统的相关性能进行了分析，并将其与相控阵物理层安全方案相应的安全性能进行了对比。
(2)研究了关键系统参数对频控阵物理层安全的影响：为了研究信道质量对系统安全性能的影响，本文先将基于频控阵物理层安全的研究推广到通用的Nakagami-m衰落场景中。同时采用人工噪声(Artificial Noise,AN)协助的方法来增强系统安全性。基于该信道模型，本文考虑平均安全容量、非零安全容量、安全中断概率和安全吞吐量性能指标，并推导了相应的闭合性能表达式。通过这些性能表达式，本文从理论上分析了距离、保密信息功率分配因子、频偏、衰落参数、合法用户与窃听用户相对于信源的方位差以及安全速率门限等关键参数对系统性能的影响。另外，本文还推导了窃听用户可能的零窃听区域和最大窃听区域，并分析了窃听用户的可能窃听位置对安全中断性能的影响。
(3)提出了一种基于频控阵DF中继的SWIPT物理层安全模型：无线信息和功率同步传输(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)和中继技术分别以其能够解决无源设备远程充电和扩大网络覆盖范围而备受关注。本文在频控阵DM安全系统中同时考虑中继和SWIPT技术，提出了一种基于频控阵译码转发(Decode and Forward,DF)中继的SWIPT物理层安全系统模型。为了提高安全性，该模型从两个时隙来加强信息安全：第一个时隙，合法用户发射人工噪声(AN)，为中继提供部分能量来源的同时对窃听用户造成干扰。第二个时隙，中继采用频控阵DM技术定向地转发保密信息来保证信息安全，同时发射AN信号干扰窃听用户。由于中继与合法用户均对主网络的信息绝对了解，可以根据需要将其接收信号中的AN移除，避免造成不必要干扰。针对该SWIPT安全模型，本文考虑时隙转换(Time Switching,TS)和功率分割(Power Splitting,PS)两种中继方案，利用矩母函数(Moment Generating Function,MGF)分别推导出了TS和PS中继方案对应的遍历安全容量最简表达式，并分析了两种中继方案的安全性能。
(4)提出了一种基于频控阵伪装欺骗的物理层安全方案：频控阵发射信号的特性使得相应接收信号与正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplex,OFDM)信号在形式上存在着非常大的相似性。在被动窃听场景中，窃听用户在无法获取主网络任何信息的情况下可能将其接收信号当做OFDM信号处理。因此，频控阵在伪装其发射信号的同时欺骗了窃听用户。针对这样一种情况，本文提出了一种基于频控阵伪装欺骗的物理层安全通信方案。在该方案中，窃听用户对其接收信号采用与合法用户完全不同的处理方法，不同于现有文献中窃听用户与合法用户同样的接收信号处理方法(传统方案)。此外，基于所提出的安全方案，本文通过推导系统的平均安全速率、连接中断概率、安全中断概率以及安全吞吐量分析了所提方案的相应性能，并与传统方案及相应的相控阵方案进行对比。