本书论述基于物理层安全的无线网络信息安全解决方案及其相关技术，包含了物理层安全理论、发展现状和建模方案等，重点介绍物理层安全容量和物理层密钥提取方面的技术。本书共5章。第1章概述了无线网络、未来无线网络面临的信息安全挑战、物理层安全技术、现代无线网络物理层关键技术；第2章介绍了无线网络的协作通信技术；第3章介绍了物理层安全技术；第4章介绍了基于无线信道幅度相位联合特征参数的密钥生成方法；第5章介绍了物理层信息安全技术未来的发展。本书针对无线网络物理层安全技术与应用开展了较深入的研究，内容丰富，有助于研究者和工程技术人员在从事无线网络物理层安全和信息安全技术方面的研究和应用时借鉴和参考。

随着无线通信和网络业务的高速发展，通信信息传输的安全对人们生活的影响日益增加。在高动态无线网络环境下，低性能嵌入式无线网络终端需要高安全性和低复杂度的安全解决方案。传统的信息安全技术难以适应这种新要求。物理层安全技术基于无线通信内在的安全机制，着眼于无线信道特性和无线信号特性，从无线信道保密容量和基于无线信道特征的密钥提取等方面研究信息安全传输的解决方案。基于无线信道保密容量的信息传输具有绝对安全特性；满足“一次一密”要求的基于无线信道特征的密钥提取机制具有高安全性和低复杂度。无线通信物理层安全方面的研究正日益成为新的热点。物理层安全技术可能将为当前脆弱的信息安全体系补上必要的一环。信息安全问题解决不好，既影响国家经济，又会让人们的信息化生活蒙上一层阴影。研究物理层安全技术有可能从根本上解决当前面临的信息安全问题。本书将无线通信网络技术与信息安全技术结合，研究讨论其独特的技术优点、性能和实现方案，以及与传统信息安全技术相融合等未来的研究方向。本书所述内容属于传统无线通信网络技术与传统信息安全技术的交叉融合研究领域。不同于传统信息安全技术依赖于加密封装机制，也不同于无线通信网络技术仅着眼于通信效率和可靠性，本书基于无线通信固有的内在安全机制，采用无线通信网络技术，与传统信息安全机制结合，研究适用于未来无线网络动态环境下的高安全性和低复杂度信息安全的新方案和新机制。本书主要从协作方式、防窃听信号编码、信道和资源分配等方面综合研究无线网络物理层安全保密容量和密钥提取关键技术，主要取得了以下理论方法和解决方案。 针对物理层安全中的协作通信问题，通过对无线中继节点时分协作方式的研究分析，得出了中继节点时间和能量消耗的关系、中继信道容量上下限及其时间分配策略。通过非合作或合作博弈分别建模研究了无线节点之间的协作行为、节点选择策略、资源分配优化和资源定价策略等，研究结果表明，在节约能量消耗和每个节点与整个网络速率得到提高等方面效果明显。这些问题的研究为物理层安全问题的研究打下了良好基础。 针对物理层安全中的保密容量性能优化问题，首先从物理层角度研究异构无线网络安全机制，提出了一种基于虚拟 MIMO 的联合解码转发和协同干扰的物理层安全协作机制。然后对无线节点在异构网络环境下的协同行为、资源分配和干扰协同进行深入分析。将无线节点的协同行为与方式、协作协议和OFDM 技术进行融合，建立了综合节点协同行为机制和 OFDM 子载波动态分配的物理层安全模型，给出了协作伙伴选择算法和策略。对各种融合方案进行性能分析和适应场景仿真，获得不同条件下有效的物理层安全方案。对异构无线网络动态环境下自主无线节点行为进行研究，并分别基于协同干扰和解码转发技术，将源节点与其他参与协同干扰节点之间的利益分配关系建模为 Stackelberg 博弈。源节点通过对参与协作节点所消耗的功率进行有偿支付，激励可信任协作节点参与协同；再将各个参与协作节点之间的竞争关系构建为非合作博弈，以促进各个节点在参与协作的时候对所消耗的功率合理定价。提出了不完全信息下用于异构无线网络动态环境下基于虚拟 MIMO 技术的双动态博弈算法，以及节点选择与协同策略、功率分配与功率定价策略的自适应机制和动态特性分析方案。研究结果表明，提出的异构无线网络动态环境下自适应联合优化方案能得到稳定可靠的物理层安全性能。 针对物理层密钥提取问题，首先，讨论了基于无线信道特征的密钥提取原理、一般流程和解决方案；接着，研究分析了基于信道幅度特性的等概率量化密钥生成方案，给出了密钥与信道随机参数间匹配率的表达式，并采用等概率量化算法，以利于动态调节参数量化门限，使量化门限具有适应性；然后，针对基于无线信道单一特征参数的密钥生成方案适应性差和密钥生成速率低的问题，提出了基于无线信道幅度相位联合特征参数的密钥生成方法。该方法基于单窃听无线衰落信道模型，建立了无线衰落信道幅度相位联合特性模型。收发双方再通过发送无线信道探测信号，采用幅度相位等概率联合量化策略，对所提取的信道幅度相位联合特性进行量化生成密钥随机参数。本书所提出的无线信道幅度相位联合特征参数探测方法，不但可以提高密钥随机参数的生成速率，而且使窃听者窃听误比特率更加接近0.5。仿真结果表明，相比基于无线信道单一特性的密钥生成方案，该方案可显著提高生成密钥随机参数的速率、可靠性和安全性；最后，通过实际通信系统测试了密钥随机参数到密钥的生成过程，并在室内环境下测试了利用无线信道幅度相位联合特征生成的密钥对传输信息进行加密后的通信性能。试验数据表明，基于信道幅度相位联合特性的密钥提取方案安全性更好，且随窃听距离、密钥长度的增加，信息加密传输的安全性更加显著。 第1章概述了无线网络、未来无线网络面临的信息安全挑战、物理层安全技术、现代无线网络物理层关键技术。第2章讨论了对于物理层安全较重要的无线网络协作通信技术，并对无线网络中无线节点之间的协作关系和资源分配方式分别采用合作博弈和非合作博弈建模优化进行研究。第3章先是对于物理层安全技术、研究内容、研究方法和一般性建模思路进行了总结和整理，并在此基础上，研究了几种不同通信技术在不同应用场景下，物理层安全保密通信速率提高的不同方案和实现方法。第4章既研究了物理层一般密钥提取过程，又对基于无线信道特征的密钥提取方法和技术方案等方面展开相关探索，并提出了联合提高物理层密钥提取速率的创新性解决方案，以及相关性能的分析和研究。第5章讨论了物理层安全两方面融合和互补的可能性，并讨论和展望了物理层安全未来的发展方向，以及物理层安全技术与传统信息安全机制进行融合的思路。 本书关于物理层安全技术的背景探索，有利于无线网络物理层安全研究工作者和相关工程技术人员把握物理层安全方面的研究热点和研究方向。本书研究了一般性无线网络场景的物理层问题建模方法和思路，以及当前热点研究方案和解决问题的思路，这将极大地有利于初学者快速入门。特别是本书的一些研究实例和成果将会让物理层安全技术研究者能够掌握和深入物理层安全技术研究领域。如果能给他们带来启发和开拓新的研究方向，那么这将是作者所希望的。 本书的很多研究内容都来源于作者及作者所在的无线通信和信息安全技术研究团队多年来的研究成果，同时参考了无线通信和信息安全领域的相关技术资料。感谢团队孙先波博士、刘三军博士长期以来源源不断的新颖思路和倾力支持，特别是在写作阶段孙先波和谭琼应提供了宝贵的建议和大力的支持。感谢华中科技大学魏蛟龙教授提供的帮助，还要感谢研究生谭琼应等同学为本书贡献的研究成果和技术资料。 本书的出版得到了湖北省高校优秀青年科技创新团队计划项目“无线网络基于物理层安全的信息加密、封装和分发”（No.T2015012）和国家自然科学基金“无线传感器网络在无线局域网中抗干扰的信道分配机制研究”（No.61771188）、“基于不完全信息博弈的异构无线网络物理层安全”（No. 61461018）的资助，以及湖北民族大学学术著作出版专项的资助。 由于作者水平有限，本书难免存在不妥和疏漏之处，恳请读者和同行批评指正，不胜感激。

第1章 概论 1 1.1 无线网络概述 1 1.2 未来无线网络面临的信息安全挑战 2 1.3 物理层安全技术概述 3 1.4 现代无线网络物理层关键技术 4 1.4.1 基于保密容量的物理层传输方案研究 4 1.4.2 物理层密钥提取方案的研究 11 第2章 无线网络的协作通信技术 17 2.1 概论 17 2.1.1 无线通信发展历程 18 2.1.2 无线通信面临的挑战 21 2.1.3 协作中继技术概述 24 2.1.4 协作中继技术的应用 25 2.1.5 协作中继的研究内容 29 2.2 时分协作中继信道 34 2.2.1 引言 34 2.2.2 系统模型 35 2.2.3 中继策略及其容量限 36 2.2.4 小结 45 2.3 无线网络理性节点非合作博弈建模 46 2.3.1 引言 46 2.3.2 系统模型和问题描述 48 2.3.3 博弈策略分析 52 2.3.4 仿真分析 60 2.3.5 小结 66 2.4 异构网络理性节点合作博弈建模 67 2.4.1 引言 67 2.4.2 系统模型 71 2.4.3 效用函数和问题描述 75 2.4.4 联合的资源分配算法 77 2.4.5 仿真分析 88 2.4.6 小结 97 第3章 物理层安全技术 98 3.1 概述 98 3.2 研究内容 99 3.2.1 主要研究内容 99 3.2.2 研究方法 101 3.2.3 一般性建模思路 101 3.3 基于协作干扰的物理层安全技术 105 3.3.1 引言 105 3.3.2 系统模型和协作方案 108 3.3.3 问题描述 112 3.3.4 传输功率最小化分析 113 3.3.5 保密速率最大化分析 119 3.3.6 仿真分析 124 3.3.7 小结 132 3.4 基于纳什讨价还价博弈的OFDM无线网络 物理层安全技术 133 3.4.1 引言 133 3.4.2 基于OFDM系统两用户协同物理层安全模型 135 3.4.3 效用函数和问题建模 138 3.4.4 子载波分配算法 140 3.4.5 仿真分析 145 3.5 基于虚拟波束成型协作干扰技术的物理层安全技术 152 3.5.1 引言 153 3.5.2 系统模型 157 3.5.3 问题描述 159 3.5.4 功率分配和价格选择策略 161 3.5.5 仿真分析 166 3.5.6 小结 173 3.6 基于解码转发协议的无线网络物理层安全技术 173 3.6.1 引言 174 3.6.2 系统模型 178 3.6.3 问题描述和博弈建模 182 3.6.4 中继功率分配与价格选择策略 185 3.6.5 仿真分析 191 3.6.6 小结 196 第4章 基于无线信道幅度相位联合特征参数的 密钥生成方法 198 4.1 引言 198 4.2 研究方案 201 4.2.1 研究方法 201 4.2.2 无线信道随机性分析 201 4.3 一般密钥提取过程 210 4.3.1 基于密钥的加密通信 210 4.3.2 密钥随机参数生成密钥的过程 211 4.4 基于无线信道幅度特征的等概率密钥生成方法 213 4.4.1 引言 213 4.4.2 系统模型 215 4.4.3 密钥生成策略 217 4.4.4 仿真分析 220 4.4.5 小结 222 4.5 基于无线信道幅度相位联合特征的密钥生成方法 223 4.5.1 引言 223 4.5.2 系统模型 225 4.5.3 无线信道幅度相位联合特征提取 227 4.5.4 密钥生成方案的性能分析 232 4.5.5 仿真分析 235 4.5.6 小结 240 4.6 密钥提取动态性能测试 240 4.6.1 仿真测试 240 4.6.2 测试结论 244 第5章 物理层安全技术未来的发展 245 5.1 面临的挑战和机遇 245 5.2 物理层安全技术面临的主要问题 247 5.2.1 物理层安全容量 247 5.2.2 物理层密钥提取 248 5.3 物理层安全技术路在何方 249 参考文献 253