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近年来，无线通信系统的应用已经覆盖到人类生活的各个方面。移动性作为无线终端的本质属性，随着飞速发展的无线通信技术的不断进步而逐渐增强。数据传输的媒介也越发的开放，再考虑到无线网络构架的不稳定性，若要在具备上述特质的通信系统中实现安全、可靠的数据传输，是一件具有严峻挑战的事情。于是，人们越来越关注通信系统的底层安全问题，从而使得物理层安全成为通信安全研究的重要课题。物理层安全问题引起广泛关注的原因可以归结为两点，一方面随着计算机技术飞速发展与进步，量子计算机一种具有极强计算能力技术得以问世，从而使得基于密码学相关知识的传统加密技术的解密变得可行且更加容易。进而导致在网络协议栈的上层所应用地密码加密和解密方法日益经受着严峻的考验和挑战。另一方面，由于这类保密技术广泛应用于通信系统OSI模型中的网络层及以上各层，没有做到全面考虑和充分利用通信系统底层--物理层的特性。在这种情况下，一旦通信系统物理层出现问题，传统的加密技术是覆盖不到物理层的。从而很难保证无线通讯信息的整体安全性的。于是，作为一种对无线通信系统进行加密的加密方法的替代或补充，物理层的相关保密通信技术得到了广泛的关注。这类技术主要是利用无线通信系统中信道的一些特性，其中比较关键的三种特性为空间唯一性、多径性以及互易性。
本论文系统而全面地研究了基于物理层安全问题的无线通信系统。文章相对深入地考察了基于窃听信道的能量采集中继系统的性能，另外系统还应用了放大转发（Amplify-and-Forward，AF）协作技术。本论文的主要贡献由两部分组成，第一部分是基于已有的能量采集方面的研究成果提出了一个新的能量采集方案，这部分体现在论文第四章。第二部分是对所研究的能量采集方案进行非线性分析，这部分主要体现在论文的第五章。本论文的主要创新点具体如下：
1．当放大转发中继系统存在窃听者时，就会使得中继节点功率的受限。为了在这样一个通信系统中实现通信安全，本论文提出了一种目标节点协助的干扰和能量采集（EnergyHarvesting,EH）方案，并通过计算保密容量这个性能指标来衡量整个系统的安全性。当中继节点因功率受限而导致系统采集到的能量不足以对信号进行放大转发时，就难以实现信号的安全、可靠传输。我们提出的方案就给出了相应地解决办法:中继节点可以通过源节点和目标节点向中继节点分别发射的有用信号和干扰信号用以进行能量采集，从而获得足够多的能量进行信号处理，进而实现信号的放大转发和安全传输。本论文基于时间转换中继(TimeSwitching Relaying，TSR)和功率切割中继(Power Splitting Relaying，PSR)两种能量采集协议提出了广义切换中继(Generalized Switching Relaying，GSR)能量采集协议。然后，我们推导出系统可获得的遍历保密容量Cs解析表达式，分析了能量采集的时间切换因子?和功率分割因子?对Cs的影响。最后，我们对三种不同的能量采集协议进行了相互比较和性能分析。仿真结果表明，当中继天线的数量N，源发射功率Ps和目的发射功率Pd增加时，GSR协议提供了更好的系统性能。通过增加EH效率因子ηt和ηp的值，GSR协议还增强了系统的遍历保密容量。最后，与TSR和PSR协议相比，GSR协议提供了更高的遍历保密容量。
2．当源节点和目标节点的发射功率不断增加时，考虑到能量采集电路的非线性(Non-Linear)，系统采集到的能量不应该是无限增加的。于是，我们分析能量采集接收机模型对应电路的组成和电路输入输出特性。为了能够更加符合能量采集接收机实际电路的非线性特性，我们提出了一个非线性能量采集模型，从而可以捕获同步无线信息与功率传输(SimultaneousWirelessInformation andPowerTransfer，SWIPT)系统中实际EH接收机端到端的非线性特性。将应用了非线性能量采集模型的三种协议，分别命名为非线性时间转换中继(Non-Linear Time Switching Relaying，NTSR)，非线性功率切割中继(Non-Linear Power Splitting Relaying，NPSR)和非线性广义切换中继(Non-Linear Generalized Switching Relaying，NGSR)能量采集协议。由于NGSR是NTSR和NPSR的结合，所以这里我们详细分析推导出了NGSR协议在时间T内采集到的总能量解析表达式，并对NGSR的遍历保密容量公式的推导过程进行了详尽的罗列。至于仿真分析部分，我们首先比较了线性能量采集协议和非线性能量采集协议采集到的总能量。紧接着，我们探究了中继天线数目，源节点发射功率和目标节点发射功率分别对NTSR，NPSR和NGSR三种协议的遍历保密容量的影响，仿真结果表明随着上述系统参数的增加，不同协议对应的遍历保密容量的总体变化趋势都是增加的。我们还对三种非线性协议的遍历保密容量进行了相互比较。仿真结果表明NPSR协议的遍历保密容量略高于NGSR协议的遍历保密容量，而二者皆远高于NTSR协议的遍历保密容量。
最后，本文就整个论文工作做了总结与展望，还指明了本文有待解决与完善的地方以及进一步研究需要开展的工作。
本论文系统而全面地研究了基于物理层安全问题的无线通信系统。文章相对深入地考察了基于窃听信道的能量采集中继系统的性能，另外系统还应用了放大转发（Amplify-and-Forward，AF）协作技术。本论文的主要贡献由两部分组成，第一部分是基于已有的能量采集方面的研究成果提出了一个新的能量采集方案，这部分体现在论文第四章。第二部分是对所研究的能量采集方案进行非线性分析，这部分主要体现在论文的第五章。本论文的主要创新点具体如下：
1．当放大转发中继系统存在窃听者时，就会使得中继节点功率的受限。为了在这样一个通信系统中实现通信安全，本论文提出了一种目标节点协助的干扰和能量采集（EnergyHarvesting,EH）方案，并通过计算保密容量这个性能指标来衡量整个系统的安全性。当中继节点因功率受限而导致系统采集到的能量不足以对信号进行放大转发时，就难以实现信号的安全、可靠传输。我们提出的方案就给出了相应地解决办法:中继节点可以通过源节点和目标节点向中继节点分别发射的有用信号和干扰信号用以进行能量采集，从而获得足够多的能量进行信号处理，进而实现信号的放大转发和安全传输。本论文基于时间转换中继(TimeSwitching Relaying，TSR)和功率切割中继(Power Splitting Relaying，PSR)两种能量采集协议提出了广义切换中继(Generalized Switching Relaying，GSR)能量采集协议。然后，我们推导出系统可获得的遍历保密容量Cs解析表达式，分析了能量采集的时间切换因子?和功率分割因子?对Cs的影响。最后，我们对三种不同的能量采集协议进行了相互比较和性能分析。仿真结果表明，当中继天线的数量N，源发射功率Ps和目的发射功率Pd增加时，GSR协议提供了更好的系统性能。通过增加EH效率因子ηt和ηp的值，GSR协议还增强了系统的遍历保密容量。最后，与TSR和PSR协议相比，GSR协议提供了更高的遍历保密容量。
2．当源节点和目标节点的发射功率不断增加时，考虑到能量采集电路的非线性(Non-Linear)，系统采集到的能量不应该是无限增加的。于是，我们分析能量采集接收机模型对应电路的组成和电路输入输出特性。为了能够更加符合能量采集接收机实际电路的非线性特性，我们提出了一个非线性能量采集模型，从而可以捕获同步无线信息与功率传输(SimultaneousWirelessInformation andPowerTransfer，SWIPT)系统中实际EH接收机端到端的非线性特性。将应用了非线性能量采集模型的三种协议，分别命名为非线性时间转换中继(Non-Linear Time Switching Relaying，NTSR)，非线性功率切割中继(Non-Linear Power Splitting Relaying，NPSR)和非线性广义切换中继(Non-Linear Generalized Switching Relaying，NGSR)能量采集协议。由于NGSR是NTSR和NPSR的结合，所以这里我们详细分析推导出了NGSR协议在时间T内采集到的总能量解析表达式，并对NGSR的遍历保密容量公式的推导过程进行了详尽的罗列。至于仿真分析部分，我们首先比较了线性能量采集协议和非线性能量采集协议采集到的总能量。紧接着，我们探究了中继天线数目，源节点发射功率和目标节点发射功率分别对NTSR，NPSR和NGSR三种协议的遍历保密容量的影响，仿真结果表明随着上述系统参数的增加，不同协议对应的遍历保密容量的总体变化趋势都是增加的。我们还对三种非线性协议的遍历保密容量进行了相互比较。仿真结果表明NPSR协议的遍历保密容量略高于NGSR协议的遍历保密容量，而二者皆远高于NTSR协议的遍历保密容量。
最后，本文就整个论文工作做了总结与展望，还指明了本文有待解决与完善的地方以及进一步研究需要开展的工作。