自Claude Shannon创立信息论以来,对保密通信的研究工作大量增加,使用密钥处理传输信息一度成为保障安全通信的主流方式。但随着大数据时代的到来,恶意窃听者(Eve)也能轻易拥有强大的集群计算能力,此时传统的密钥加密方法开始显得力不从心,于是研究者们把目光投向了物理层通信安全技术。不同于密钥加密方式,处于物理层的安全通信技术,既可以从信息论的角度出发,推导计算正值安全容量来保证通信的绝对安全,也可以从信号处理的角度考虑,对发送信号进行预处理,如叠加人工噪声(AN)来增加信道安全容量。时至今日,物理层信道安全及由此课题衍生出的信道功率优化分配方法,已成为通信安全领域的研究热点。面对日益突出的通信安全问题,如何正确有效的寻找出信道模型的最优功率分配方案,也已经成为有重要意义且极富挑战性的前沿科研工作。本文研究了基于AN方法的物理层多类信道安全及功率优化分配问题,提出了对应的提高物理层通信信道安全效能的方案以及优化信道功率分配的算法,经过全面深入的系统性分析研究,本文主要的研究内容,可归纳为如下三个方面:1.研究了带有单个Eve的广播(BC)通信信道(BCE)的安全通信问题,根据保密达界和疑惑度的概念提出并证明了BCE信道模型上保密达域的一个外部约束(OB)的存在性,进一步证明了此OB紧于用图论中max-flow min-cut定理得到的结果,证明了本文所提OB的意义;研究了存在主动攻击者的多入单出(MISO)信道安全通信问题,以攻击者的角度模拟攻击情境并且在无线环境中建立模型,利用平均互信息作为数学描述量证明该模型中主动攻击的效果,定义了平均互信息损失速率这个安全量度指标,用其衡量主动攻击下信道的通信能力,运用基于预编码的空间连接方法在理论上解决了MISO无线信道在本文提出的主动攻击情境下安全通信的问题;研究了当发送者(Alice)天线数目受限,无法制造额外冗余时,单入单出(SISO)信道的安全通信问题,提出一种新型的2-阶段双侧AN发送方法,解放了实际环境中有可能对Alice天线数目的约束。2.研究了多入多出(MIMO)信道产生AN时的功率分配优化问题,在以达到最大信道安全容量的前提下,提出了类似一维搜索的高效迭代算法来搜寻对AN信号和发送信息信号之间的功率最优配比,利用随机矩阵理论得到了信道安全容量下界的一个闭集表达式,进一步证明了注水(wf)算法为本文情境下功率分配的最优方案。3.研究了信道互涉条件下传统an方法受到限制的问题,定义了截获度?、污染度?和信道危险度?三个表征信道安全量度的指标,得出?期望与信道互涉度系数关系表达式,用其分析了信道互涉程度的大小对基于an方法的多入单出单窃听者(misose)信道通信安全性的影响,基于Ⅰ、Ⅱ类病态问题,选取其中最具代表性的多入多出多窃听者(mimome)和siso信道对?进行安全性分析,所得结论对设计建模信道时确定存在正的安全容量有一定指导意义。本文工作的主要创新点描述如下:1.在研究bce模型的保密达界方面,本文给出并证明了bce模型的一个ob,通过与能够确定信道ob意义的门限条件,max-flowmin-cut给出割集约束的比较,证明了本文给出的ob紧于此割集约束,通过与现有三种具有代表性的bc模型外部约束的比较,证明了本文提出的ob紧于或至少等于其他同类型模型的ob。2.在研究存在主动攻击的miso信道安全性方面,本文突破常规的以攻击者的角度来构建主动攻击模型情境,首次用平均互信息作为数学描述量,并用平均互信息的比值定义平均互信息损失速率来表达本文所提主动攻击在特定模型情境中的攻击效果,提出基于预编码的向量零空间(ns)连接方法应对本文所提攻击情境中miso信道通信的安全问题。仿真实验和数值计算表明,本文所提的解决方案能有效防御本文设定的主动攻击。3.在研究alice天线数目受限的siso信道安全通信问题方面,本文提出了一种2-阶段双侧an发送的新方法,通过对合法接收者(bob)一发一收天线的设定,在严重扰乱eve接收信息的情况下,保证了bob对私密信息的正常接收。由理论推导显示,本文所提方法与多协作帮助者节点方法比较在功耗方面是有优势的,从而证明了本文所提方法能够有效解放外部环境对alice天线数目的限制,在实际情境中更具有普适性。4.在研究使用an方法的mimo信道发送功率优化分配方面,本文基于随机矩阵理论,得到了mimo信道安全容量下界的一个闭集表达式,并证明wf算法是本文所提情境中发送功率分配的最优方法,为了搜寻an信号和发送信号间的功率最优配比来达到最大信道安全容量,本文提出类似一维搜索的高效迭代算法,理论推导及仿真实验得出的结果都表明,所提出的算法能够迅速收敛,且证明了多天线信道方案较之其他的基于an方法信道方案在信道安全容量方面有一定程度的提升。5.在研究基于AN的MIMO信道中天线数量约束以及信道互涉条件下AN方法受到限制方面,本文提出了对Bob的多天线接收进行整体性统一处理的MIX-AN方法,经过理论推导,证明了此方法不仅解放了Bob多天线对Alice天线数目的限制,而且增加了信道NS的冗余维度数,从而有效保证了MIMO信道的通信安全。本文通过对三个表征信道安全量度指标的定义,用其分析了信道互涉程度对使用AN方法的MISOSE信道安全性影响,并通过选取在Ⅰ、Ⅱ类病态问题中具有代表性的信道对信道危险度进行分析,由理论推导表明在对信道的设计建模中需要尽量保证信道危险度指标大于1,从而得到正值安全容量。