全双工基站协助的上行安全空间调制技术研究

Spatial modulation (SM) is a novel MIMO transmission technology in the field of wireless communication. By modulating the information in the joint space-and-baseband domain, the SM-MIMO is able to achieve the compromise between the spatial multiplexing and spatial diversity, while can achieve a well-balance between the spectrum efficiency and energy efficiency of the system. With the information security becomes increasingly serious, much of our efforts need to be endeavored to the research of secure SM (SSM) techniques, such that the SM-MIMO can cope with the eavesdropping threat, while can be put into practical use successfully. This project aims to explore the possible full-duplex basestation assisted uplink SSM designs, which can keep retain the inherent technical advantages of low complexity SM transceiver. In detail, we first build a security performance analysis framework for the SM systems with imperfect channel estimation. Then, according to the different multiple-access manners, we propose the full-duplex basestation jamming assisted single-user and multi-user uplink SSM strategies, respectively. After that, based on the optimization theory, we investigate the design problems of the full-duplex basestation jamming assisted multi-user uplink SSM, in order that the security threat from randomly distributed eavesdropper can be better countered. This project provides a new perspective for the research of SSM. Our research can not only help to guarantee the information transmission security for resource-constrained users, but also provide theoretical and technical support for the realization of SM-aided efficient and secure future wireless network.

空间调制是无线通信领域一项新兴的MIMO传输技术，它通过空域和基带域联合调制传输信息的方式，实现了空间复用和空间分集之间的折中，同时能兼顾通信系统频谱效率和能量效率。随着信息安全问题日趋严峻，研究能有效对抗窃听威胁的安全空间调制技术是空间调制迈向实用化的关键。本项目旨在探索能保持空间调制低复杂度收发实现这一固有技术优势的、全双工基站协助的上行安全空间调制。具体研究内容包括：非理想信道估计下，空间调制系统的安全性能分析框架构建；用户接入方式不同时，全双工基站协助加扰的单用户/多用户上行安全空间调制保障机制设计；窃听节点随机分布下，基于加扰优化的多用户上行安全空间调制方案设计。本项目为空间调制安全传输技术研究提供了新视角，不仅有助于保障资源受限用户的信息安全传输，而且能为空间调制辅助实现高效、安全的未来无线网络架构提供理论和技术支撑。

项目组以上行空间调制中的物理层信号安全传输技术为研究对象，针对现有技术实现复杂度高、无法兼顾基带与空域比特传输安全的问题，提出了空域索引重排、低复杂度协作加扰、射频超材料赋能、压缩感知与稀疏重构、智能支持向量机等技术有机融合高效对抗上行空间调制未知窃听的新思路，重点考察了射频空间调制安全传输方案设计与性能评估，以及可见光空间调制高效信号检测与LED选择理论与方法。研究内容包括以下七个方面：1）针对上行空间调制基带与空域比特安全传输无法兼顾的问题，提出了基于空域索引重排与人工噪声注入的安全传输策略，研究了系统性能评估框架；2）针对多用户上行安全空间调制设计复杂度较高的现象，提出了用户端加性噪声在基站端合并相消的低复杂度协作加扰机制，研究了协作加扰噪声加权系数设计理论方法；3）针对传统收发端联合空间调制不能适用任意规模上/下行MIMO系统安全传输的问题，提出了一种新型基于射频反射镜的收发端联合空间调制架构，研究了面向收发空域索引联合分组的交替零空间波束成形预编码方法与系统性能综合分析框架；4）针对传统空间调制系统性能增益不高的现象，提出了可重构智能反射表面使能随机扰动对齐/随机矢量合成上行安全空间调制方案，研究了用户端信号加扰与可重构智能表面反射方案联合设计理论与方法；5）针对传统上行空间调制可达性能增益有限的问题，提出了可重构智能表面使能增广图案索引调制模型，研究了实现高效上行空间调制的可重构智能表面反射方案设计方法；6）针对室内可见光通信空间调制信号检测计算复杂度较高的现象，提出了一种基于压缩感知的稀疏信号检测算法，研究了有效提高系统误码性能的最优参数选择方法；7）针对室内可见光通信空间调制系统的天线选择问题，提出了基于支持向量机的高效智能LED在线选择算法，研究了利用核SVM构建LED在线选择的低复杂度优势。

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