本书系统地论述了当前无线通信系统物理层安 全研究方向中具有普遍性和代表性的基础理论、关键技术和典 型应用。全书共9章，内容包括无线通信系统、无线信道与物理层安 全、物理层安 全的信息论基础、物理层安 全方案的性能指标、信道探测及特征提取、密钥生成与性能提升、多天线系统中的波束成形安 全传输方案、多中继无线协作通信技术、物理层安 全技术应用。其中，前4章介绍无线通信系统物理层安 全基本原理，第5到8章介绍物理层安 全技术，第9章通过3个典 型的通信场景展示物理层安 全技术的应用效果。每章附有习题，用于读者复习和巩固章节内容。

第1章 无线通信系统1
1．1 通信系统简介 1
1．1．1 通信系统的一般模型 1
1．1．2 通信系统的分类 2
1．1．3 数字通信系统 2
1．1．4 通信网络协议 4
1．2 通信系统主要性能指标 4
1．2．1 有效性 5
1．2．2 可靠性 6
1．3 多天线通信系统 6
1．3．1 多天线系统模型 6
1．3．2 多天线系统的优点 9
1．4 中继协作通信系统 13
1．4．1 中继协作通信系统分类 14
1．4．2 半双工两跳中继协作通信系统 15
1．4．3 常见的中继协作方式 16
1．4．4 典型应用：升空中继通信系统 19
习题1 22

第2章 无线信道与物理层安全 23
2．1 无线信道 23
2．1．1 无线信道的概念 23
2．1．2 无线信道的特征 26
2．1．3 无线信道的分集技术 31
2．2 无线通信系统中的安全问题 34
2．2．1 传统安全方案及其局限性 35
2．2．2 物理层安全方法 36
2．3 物理层安全发展历史 37
2．3．1 香农信息安全理论 37
2．3．2 窃听信道模型及理论发展 38
2．3．3 物理层密钥生成技术的发展 40
2．4 物理层安全研究分类 40
2．4．1 无密钥安全传输 41
2．4．2 物理层密钥生成 43
2．4．3 物理层认证技术 45
习题2 46

第3章 物理层安全的信息论基础 47
3．1 物理层安全相关概念 47
3．1．1 信息测度与信道容量 47
3．1．2 保密容量与保密速率 51
3．1．3 常用假设 52
3．2 常见信道的保密容量分析 53
3．2．1 搭线窃听信道 53
3．2．2 高斯窃听信道和MIMO窃听信道 55
3．2．3 复合窃听信道 57
3．2．4 遍历衰落信道 59
3．3 影响保密容量的因素 60
3．3．1 信噪比 61
3．3．2 天线数 62
习题3 63

第4章 物理层安全方案的性能指标 65
4．1 无密钥物理层安全方案的性能指标 65
4．1．1 保密容量 65
4．1．2 遍历保密容量 66
4．1．3 保密中断概率 67
4．2 有密钥物理层安全方案的性能指标 67
4．2．1 密钥生成速率 67
4．2．2 密钥失配率 68
4．2．3 密钥随机性 68
4．2．4 几种有密钥方案及其性能比较 68
习题4 69

第5章 信道探测及特征提取 70
5．1 信道参数介绍 70
5．1．1 信道状态信息 70
5．1．2 接收信号强度 70
5．1．3 相位 70
5．1．4 其他信道参数 71
5．1．5 不同信道参数对比 71
5．2 信道参数探测与提取方法 71
5．2．1 互相关法 71
5．2．2 代价函数法 73
5．3 现存问题 74
5．3．1 通信双方信道估计一致性难以保证 74
5．3．2 密钥生成方案不统一 75
5．3．3 高密钥生成速率与低密钥失配率矛盾 75
5．3．4 针对主动攻击的研究较少 75
习题5 76

第6章 密钥生成与性能提升 77
6．1 预处理 77
6．2 量化 78
6．2．1 均匀量化算法 78
6．2．2 信道量化算法 79
6．2．3 迭代量化算法 82
6．2．4 二维循环量化算法 83
6．3 信息协商 86
6．3．1 信息调和 86
6．3．2 一致性确认 87
6．4 保密增强 87
6．4．1 碰撞熵和最小熵 88
6．4．2 基于Hash函数的保密增强 89
6．4．3 基于提取器的保密增强 89
6．5 提高密钥生成速率的方法 89
6．5．1 基于动态私密导频和重构信道的快速密钥生成 89
6．5．2 基于时变宽带OFDM信号频率特性与多比特量化的密钥生成 91
6．6 降低密钥失配率的方法 95
6．6．1 采用天线切换的密钥生成方法 95
6．6．2 基于UWB-IR冲激响应的密钥生成方法 97
习题6 103

第7章 多天线系统中的波束成形安全传输方案 104
7．1 多天线窃听模型 104
7．1．1 典型多天线窃听信道 104
7．1．2 波束成形技术下窃听信道的保密容量 105
7．2 单用户MISO系统中的安全波束成形方案 106
7．2．1 多输入单输出多窃听者系统保密容量 107
7．2．2 窃听信道已知时的最优波束成形方案 113
7．2．3 窃听信道未知时的人工噪声方案 115
7．2．4 窃听者天线数量对安全通信的影响 117
7．3 单用户MIMO系统中的安全波束成形方案 119
7．3．1 多输入多输出多窃听者系统保密容量 119
7．3．2 窃听信道已知时的最优方案 123
7．3．3 窃听信道未知时的人工噪声方案 125
7．3．4 窃听者天线数量对安全通信的影响 126
习题7 128

第8章 多中继无线协作通信技术 129
8．1 半双工两跳中继协作安全通信系统 129
8．1．1 AF协作下的性能分析 131
8．1．2 DF协作下的性能分析 132
8．2 波束成形与发送功率的联合优化 135
8．2．1 系统模型 135
8．2．2 DF协作场景 136
8．2．3 AF协作场景 139
8．3 协作通信的中继选择 142
8．3．1 系统模型 143
8．3．2 中继选择标准及比较 143
8．3．3 机会中继选择 144
8．4 目的节点协作干扰方案 147
8．4．1 关键技术应用背景 147
8．4．2 传输方案 148
8．4．3 最优功率分配 150
8．4．4 中继选择方案 150
习题8 152

第9章 物理层安全技术应用 153
9．1 物理层安全在大规模MIMO系统中的应用 153
9．1．1 大规模MIMO系统安全性能分析 153
9．1．2 主动窃听场景下的安全波束成形与人工噪声 158
9．1．3 CSI不准确性对安全性能的影响 162
9．2 物理层安全在物联网中的应用 173
9．2．1 物联网系统模型 173
9．2．2 物联网中的物理层安全问题 176
9．2．3 针对IoT传感器网络的信道感知加密和决策融合 178
9．2．4 针对IoT通信网络的信道感知加密 185
9．3 物理层安全在车联网中的应用 186
9．3．1 特征提取 186
9．3．2 预处理 187
9．3．3 量化 188
9．3．4 信息协商 188
9．3．5 仿真模拟结果 190
习题9 193

参考文献 194