无线网络已经在我们的日常生活中广泛使用，但由于无线网络的开放性使得它极
容易遭受窃听攻击，因此无线网络安全是一个十分重要的课题。除了继承有线通信中
基于上层数据加密的方法，从无线通信的物理层信道特征出发，可以有进一步增强无
线网络安全的思路：无线信道的衰落特性允许发信机在主信道比窃听信占优的时候发
送私密信息；无线信道的广播特性允许发射机在空域发射干扰，抑制窃听者；无线信
道在时分双工模式下的互易性允许收发机各自在本地独立地从共同的随机信道参数中
提取密钥供上层数据加密算法使用，避免了密钥分发和管理。据此，本文研究了多天
线系统如何利用无线信道特征提高无线通信的物理层安全，主要贡献有以下几点：
1)　为两种典型的物理层信号安全传输方法建立了统一的数学框架，揭示了二者的
共性。在与合法用户信道正交的方向上广播人工噪声和发射机人造窃听信道快衰落是
目前被广泛研究的两种物理层安全传输方案。上述看起来两个不相关的方法在本文被
统一起来，经过严格的数学推导，证明了两种方法是类似的，可以用一个统一的空域
加扰的数学模型来描述。
2)　基于上述建立的统一的数学模型，指出目前空域加扰的安全传输方法的不足，
并从窃听者的角度提出了两种窃听方法。信息安全本来就是一个窃听与反窃听的相互
博弈。自从人工噪声方法出现后，大量文献集中在研究如何优化人工噪声的发射功率
和各种场景中的应用，很少有文献去探讨该方法的局限性。本文针对此问题，指出窃
听者一旦装备了比发射机更多数量的天线时，就可以在即使不知道自身信道系数和合
法用户信道系数的任何先验信息下对私密通信符号进行盲估计，使得人工噪声和人造
快衰落之类的空域加扰方法彻底失败。本文具体给出了两种窃听方法：MUSIC-like　算
法和独立分量分析(Independent　Component　Analysis,　ICA)　算法。MUSIC-like　算法借助
空间谱估计中的MUSIC　算法思路，窃听者对所有可能的发射符号块进行谱峰搜索，
最终盲估计出私密数据。ICA　算法则利用了盲源分离(Blind　Source　Separation,　BSS)　理
论，由于人工噪声方法发射的多路数据流里面，通信符号相较于其他流的高斯干扰信
号其非高斯性最为显著，因而窃听者可以通过设计非高斯性评价函数，将其从混合的
接收信号中分离出来达到窃听的目的。
3)　提出了一种接收机天线激活图案受待发送消息控制的随机跳空的保密通信方法，本文称之为预编码辅助的空间调制(Precoding-aided　Spatial　Modulation,　PSM)。不
破不立，当发现人工噪声和人造快衰落方法仍然不能彻底对抗窃听者的攻击时，本文
设计了一种新颖的安全传输方法。受到空间调制SM　技术的启发，接收机天线在空域
的序号可以被发射机用来传递一部分信息。换句话说，待传的二进制数据流进入发射
机时，根据它们映射的十进制数字，发射机通过预编码将发射功率聚集在期望接收机
与该十进制数字对应的那根接收天线上，而其他接收天线保持静默状态。这样，一方
面期望接收机可以通过简单的比较每根天线上的接收功率便可以解调空域调制的信息；另一方面这种激活图案在窃听者那并不出现，它无法解调经接收机天线空间位置
信息调制的数据。这种调制技术能够有效对抗上述MUSIC-like　和ICA　算法的窃听，
原因在于：它本质上是将MIMO　发射机的预编码矩阵中的每一个列矢量整体当成一个
空域“星座点”来调制信息比特。由于预编码矩阵依赖于合法用户信道信息，如果信
道快速衰落那么PSM　中的空域“星座图”的“形状”是随信道衰落而动态变化的，这
样MUSIC-like　盲估计中的谱峰穷搜索就失去了搜索的星座符号范围，ICA　算法中通
信符号的非高斯性也会丢失。因此，PSM　方法在合法用户信道快速衰落的场景中是安
全的，能取得一字一密的效果。为了进一步提高PSM　在慢衰落场景中的安全性，本
文还设计了SPSM(Secret　PSM)　方案。SPSM　方案通过对PSM　的预编码矩阵加入扰动，
让预编码矩阵能够不依赖于信道衰落速度而快速时变，同时还能继续保持PSM　技术在合法接收机处低复杂度检测的优点。论文从误码率和安全速率两方面出发，优化了
SPSM方法中预编码矩阵扰动的幅度。
4)　解决了MIMO　干扰网络中同时保证合法用户通信和防止窃听者偷听的问题。在存在多对收发机同时通信的干扰网络中，经典干扰对齐(Interference　Alignment,　IA)算法可以消除每个接收机收到的来自其他非配对发射机发送过来的干扰信号，确保每个用户的可靠通信并带来整个网络容量的巨大提升。然而，在这种干扰网络中，一旦
存在外部一个窃听者时，并且我们不知道该窃听者究竟对哪一对收发机之间的通信感兴趣试图偷听时，就需要在消除网络中干扰的同时确保每对收发机之间通信的安全性。基于此种需求，我们以合法用户以及窃听者在采用最优线性检测器时的MSE　作
为通信链路质量的指标。这样，我们建立了如下的一个考虑了安全限制的优化问题：
目标函数为最小化所有合法用户接收机的总体MSE(Total-MSE)，约束条件为窃听者
窃听任意一对收发机之间的通信链路时MSE　均大于设定的阈值以及每对发射机的发射功率不超过指定值。该问题是一个凸优化问题，可通过KKT　条件求解，但求解过
程中由于发射预编码矩阵与接收滤波矩阵彼此依赖，无法获得闭式解。因而，我们提出了一种迭代的数值算法，并证明了其收敛性。