随着无线通信技术的不断革新及其应用的持续扩展,其相关的研究工作也越来越受到了人们的重视。作为该领域研究的基础,物理层无线通信理论研究就显得尤为重要。无线通信的最大特点就是它的“广播”属性,这就导致在信号的传播过程中极易受到窃听和干扰。因此,如何制造有用的“干扰”来防止窃听以及如何消除不必要的“干扰”进行高效传输就成为这篇论文研究的目标。论文将从“安全性”和“高效性”两个角度对物理层无线通信的“可靠性”进行深入探讨,提出并且解决相关研究领域的几个关键问题。本文安全性方面的研究主要基于人工噪声。所谓人工噪声就是利用帮助节点或者发送者天线中的一部分维度发送出的一种有益的干扰信号,这种信号经过精心设计只能干扰窃听信道而对主信道不会造成任何影响。这样,即使在窃听信道质量优于主信道质量的情况下也能实现安全通信。本文重点研究了三种典型的信道模型:SISOMH、MISOAN和MIMOAN。经研究发现,针对可能出现的窃听隐患,现有的基于人工噪声的安全方案均有不同程度的漏洞,即所谓的“安全盲区”,一旦人工噪声落入“安全盲区”,整个安全协议就会失效。论文结合矩阵理论的相关知识详细分析了三种安全漏洞,进而提出了三种优化方案:HTPOSISOMH、VBSE-MISOAN和MBSE-MIMOAN,成功消除了安全隐患。本文高效性方面的研究分为两个方向:一种基于自由度的MIMO天线选择算法和一种达到自由度上界的物理层编码方案。两个方向分别从天线选择和物理层编码方面入手,都是为了达到高效性传输的目的。在第一个方向的讨论中,重点研究了目前非常热门的天线选择算法。现有的天线选择算法只考虑到差错率最小或容量最大的情况,并不能解决实际需求和较低的通信率之间越来越突出的矛盾。增大发射机的发射功率和增加频谱是前人提出的两种解决方案,但是从发射成本和无线通信环境的角度考虑,这两种方法都不切实际。通常情况下,MIMO系统的信道容量与天线数呈线性正相关关系,但是随着天线数量增加计算复杂度也会随之增加,本文通过设计合理的选择候选天线子集数的方案,找到了性能与计算复杂度之间最佳的平衡点。在第二个方向的讨论中,首先定义了一种信道模型:G-MIMO双向中继信道。这种模型可以涵盖现有的大多数中继信道(如MIMO-X型双向中继信道、MIMO-Y型中继信道等),极具研究价值同时也有很高的研究难度。然后本文将这种信道分为单中继和多中继两个大类进行讨论,并结合MIMO信道性质和“cutset”理论分别给出了三个自由度上界定理:G-MIMO双向单中继信道自由度上界定理、G-MIMO双向多中继级联信道自由度上界定理和G-MIMO双向单中继混联信道自由度上界定理。由于这三个定理基于普适性更强的G-MIMO中继信道,所以具有很高的实用价值,文中也给出了具体的应用实例。特别地,论文以GMIMO双向单中继信道为例,结合矩阵论、物理层网络编码和信号对齐等技术给出了相应的自由度上界可达方案。该方案分为两个阶段:多接入阶段和广播阶段。研究结果表明,该方案可使每个节点都达到预先分配的自由度,进而使整个系统达到总的自由度上界,实现传输效率的最大化。