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在近几十年来，无线通信技术已经得到了迅猛发展。由于无线传输信道的固有广播特性，如何保证无线通信的安全性一直是个很重要的研究课题。物理层安全作为一种无线信息安全技术在最近受到越来越多研究者的关注。然而现有涉及物理层安全的研究只从传统的窃听信道模型出发，只研究如何保证一个发送消息的安全性。因此本文将传统物理层安全向多层信息方面进行推广，提出一种全新的分层物理层安全模型，使得能够同时保证多个传输消息的分层信息安全。分层物理层安全的核心思想在于发送消息有不同的安全等级，同时接收用户有着不同的安全权限。每个安全等级和安全权限存在着对应的关系，即用户只能合法解码对应于或低于其安全权限的消息，尝试解码高于其安全权限的消息会被视为窃听。分层物理层安全将发送的多个机密消息代入一种分层安全架构，来保证每一层消息只能被有权限解码的用户合法接收，同时避免低权限用户的非法窃听，在实际生活中拥有广泛应用的潜力。
本文对分层物理层安全的关键技术进行研究，并重点涉及分层物理层安全信息传输的有效性、安全性、鲁棒性和计算复杂度等问题。本文的主要贡献总结如下：
一、两层单播MISO分层物理层安全传输设计
针对两层单播MISO分层物理层安全模型，为了保证两个发送消息的传输安全性，提出一种基于人工噪声(Artificial Noise，AN)辅助的最优波束赋形传输方案。基站采用非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA)的传输方式使用叠加编码将两个机密信号和AN叠加发送，接收用户以一定的解码顺序，采用串行干扰消除技术消除部分干扰，顺序解码出每个消息。根据复合窃听信道理论，定义每个机密消息的可达保密速率。建立优化问题，旨在一个消息可达保密速率的约束和基站发射功率约束下最大化另一个消息的可达保密速率。使用线性近似方法将原问题近似为一个凸半定规划，然后提出一种基于连续凸近似(Successive Convex Approximation，SCA)的迭代算法获得原优化问题的最优解。为了降低设计的计算复杂度，提出一种基于迫零(Zero-Forcing，ZF)的次优预编码方案。使用ZF的思想构建信息信号的预编码向量，从而能够实现无权限用户处的零信息泄漏。最后的问题演变成为信号之间功率分配的问题。仿真验证了我们所提两种传输方案相较于基于TDMA方案的优越性，并显示出基于ZF的方法能够在一定性能损失的前提下大幅度降低发送端的计算复杂度。
二、多层多播MISO分层物理层安全传输设计
将系统模型扩展到更加广义的多层多播MISO分层物理层安全模型。针对用户完美CSI的情景，提出一种基于AN辅助的最优波束赋形方案，基站采用基于NOMA的方式将所有机密消息信号连同AN同时发送。建立优化问题，希望在每个机密消息保密速率的约束下最小化基站处的总功率消耗。采用线性近似化方法将原问题近似转化成一个二阶锥规划，并提出一种基于SCA的迭代求解算法对其求解，可以直接得到最优波束赋形解。然后针对存在非完美CSI的情况，提出一种具备鲁棒性的AN辅助最优波束赋形传输方案，保证能够在任意有界CSI误差情况下，满足原预期的传输约束条件。提出一种改进的基于ZF的波束赋形方案来进一步平衡系统性能和计算复杂度。在将每个发送消息信号投影到其窃听矩阵零空间上的前提下，利用剩余的空间自由度构建新的预编码向量，从而可以进一步优化消息信号波束方向来达到更好的传输性能。对于采用半定松弛的优化问题，提出对应的基于高斯随机化的秩1波束赋形解生成算法。仿真结果显示了在基于ZF的方案中进一步采用优化方法的有效性以及所提鲁棒性设计在克服CSI误差对系统性能影响的可靠性。
三、多层多播MIMO分层物理层安全传输设计
将多层多播MISO分层物理层安全模型扩展到MIMO场景，同时考虑每个接收用户都是能量受限的，基站通过发送无线能量信号的形式对所有用户进行无线供能。为了同时满足消息信号的保密传输和每个用户的能量收集需求，基站使用信能同传技术来同时发送信息信号和能量信号。接收用户使用功率分割技术，将部分接收信号用于能量收集，剩余信号用于信息解码。并提出一种AN辅助安全传输和功率分割的联合设计，能够同时最优化基站处所有信号的波束向量和用户端的功率分割因子，在每个机密消息最小保密速率和每个用户最小收集能量的前提下最小化基站处的发送功率。针对完美CSI情景，分别提出两种求解算法，基于交替优化的算法和基于SCA的算法，其中后者通过增加预编码矩阵秩1罚函数的方式可以直接获得秩1解。针对存在非完美CSI的情景，提出对应的鲁棒性联合设计。并提出一种基于黄金分割搜索的两层优化求解算法，在算法内层使用基于SCA的算法对固定信息泄漏优化问题进行求解，在算法外层搜索最优的信息泄漏，从而得到鲁棒优化问题的最优解。仿真结果验证了我们所提联合设计相较于非联合设计和无AN辅助设计等其他基准方案的性能优越性，也验证了所提鲁棒性设计保证原设计目标不会受到CSI误差影响的可靠性。
本文对分层物理层安全的关键技术进行研究，并重点涉及分层物理层安全信息传输的有效性、安全性、鲁棒性和计算复杂度等问题。本文的主要贡献总结如下：
一、两层单播MISO分层物理层安全传输设计
针对两层单播MISO分层物理层安全模型，为了保证两个发送消息的传输安全性，提出一种基于人工噪声(Artificial Noise，AN)辅助的最优波束赋形传输方案。基站采用非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA)的传输方式使用叠加编码将两个机密信号和AN叠加发送，接收用户以一定的解码顺序，采用串行干扰消除技术消除部分干扰，顺序解码出每个消息。根据复合窃听信道理论，定义每个机密消息的可达保密速率。建立优化问题，旨在一个消息可达保密速率的约束和基站发射功率约束下最大化另一个消息的可达保密速率。使用线性近似方法将原问题近似为一个凸半定规划，然后提出一种基于连续凸近似(Successive Convex Approximation，SCA)的迭代算法获得原优化问题的最优解。为了降低设计的计算复杂度，提出一种基于迫零(Zero-Forcing，ZF)的次优预编码方案。使用ZF的思想构建信息信号的预编码向量，从而能够实现无权限用户处的零信息泄漏。最后的问题演变成为信号之间功率分配的问题。仿真验证了我们所提两种传输方案相较于基于TDMA方案的优越性，并显示出基于ZF的方法能够在一定性能损失的前提下大幅度降低发送端的计算复杂度。
二、多层多播MISO分层物理层安全传输设计
将系统模型扩展到更加广义的多层多播MISO分层物理层安全模型。针对用户完美CSI的情景，提出一种基于AN辅助的最优波束赋形方案，基站采用基于NOMA的方式将所有机密消息信号连同AN同时发送。建立优化问题，希望在每个机密消息保密速率的约束下最小化基站处的总功率消耗。采用线性近似化方法将原问题近似转化成一个二阶锥规划，并提出一种基于SCA的迭代求解算法对其求解，可以直接得到最优波束赋形解。然后针对存在非完美CSI的情况，提出一种具备鲁棒性的AN辅助最优波束赋形传输方案，保证能够在任意有界CSI误差情况下，满足原预期的传输约束条件。提出一种改进的基于ZF的波束赋形方案来进一步平衡系统性能和计算复杂度。在将每个发送消息信号投影到其窃听矩阵零空间上的前提下，利用剩余的空间自由度构建新的预编码向量，从而可以进一步优化消息信号波束方向来达到更好的传输性能。对于采用半定松弛的优化问题，提出对应的基于高斯随机化的秩1波束赋形解生成算法。仿真结果显示了在基于ZF的方案中进一步采用优化方法的有效性以及所提鲁棒性设计在克服CSI误差对系统性能影响的可靠性。
三、多层多播MIMO分层物理层安全传输设计
将多层多播MISO分层物理层安全模型扩展到MIMO场景，同时考虑每个接收用户都是能量受限的，基站通过发送无线能量信号的形式对所有用户进行无线供能。为了同时满足消息信号的保密传输和每个用户的能量收集需求，基站使用信能同传技术来同时发送信息信号和能量信号。接收用户使用功率分割技术，将部分接收信号用于能量收集，剩余信号用于信息解码。并提出一种AN辅助安全传输和功率分割的联合设计，能够同时最优化基站处所有信号的波束向量和用户端的功率分割因子，在每个机密消息最小保密速率和每个用户最小收集能量的前提下最小化基站处的发送功率。针对完美CSI情景，分别提出两种求解算法，基于交替优化的算法和基于SCA的算法，其中后者通过增加预编码矩阵秩1罚函数的方式可以直接获得秩1解。针对存在非完美CSI的情景，提出对应的鲁棒性联合设计。并提出一种基于黄金分割搜索的两层优化求解算法，在算法内层使用基于SCA的算法对固定信息泄漏优化问题进行求解，在算法外层搜索最优的信息泄漏，从而得到鲁棒优化问题的最优解。仿真结果验证了我们所提联合设计相较于非联合设计和无AN辅助设计等其他基准方案的性能优越性，也验证了所提鲁棒性设计保证原设计目标不会受到CSI误差影响的可靠性。