学位论文简介

光载无线（ROF）通信与通信感知一体化（ISAC）作为新兴的信息传输和感知技术，在物联网及国防安全领域展现出广阔应用潜力。然而，由于无线通信的开放性和网络拓扑结构的复杂性，使空间传播的信号极易受到非法窃听。传统基于高层密码算法的安全方案难以有效适用于高速、大容量的光载无线通信系统环境，迫切需要在物理层引入更为高效的安全机制。本文以物理层安全机制为核心，主要研究工作如下：

(1) 针对ROF系统安全需求的密钥生成与鲁棒性问题，提出了基于混沌分组和分段比特级加密的W波段毫米波物理层安全增强方案。利用三维Hilbert置乱和混沌扩散技术在符号域和子载波域实施加密，有效增强数据随机性、降低了数据相关性，同时实现线性的计算复杂度增长。本研究将三维Hilbert置乱技术应用于毫米波OFDM信号的多维加密，并通过混沌扩散进一步消除了加密信号中的残余相关性，为高频通信系统提供了有效的安全保障。

(2) 针对混沌加密与信道特性的联合设计问题，提升ROF系统的安全性与传输性能，提出了一种基于概率整形的的整形分布特性不变星座加密方案。通过设计混沌与哈希两层级联的比特级加密，及星座符号层面的概率整形置乱，实现了降低误码率并保持原概率分布特性的同时提升了物理层安全性。与现有星座加密方法相比，本研究方案不仅保证了原有的概率整形特性，而且提高了系统的物理层安全性。

(3) 针对多用户多窃听者的通信与感知任务融合下智能反射面（IRS）辅助的安全与性能折衷问题，研究了基于信息论安全的无密钥物理层安全在ISAC系统中的应用，提出了一种面向多用户多窃听者的MU-ME-MISO系统的IRS辅助安全优化方案。通过联合优化基站波束矩阵与IRS相位偏移，使系统的最小波束成形增益最大化，从而提高合法用户通信质量并有效阻止窃听。数值仿真结果不仅验证了理论分析的正确性，展现了所提联合优化方案在波束方向图增益与安全性能方面的显著优势。

(4) 针对动态网络场景下的安全适应性问题，在移动的实际通信场景中，提出了一种动态ISAC系统中的自适应物理层安全优化方案。通过构建精准的运动模型与几何关系，推导出动态用户位置与运动状态的状态演进模型。通过扩展卡尔曼滤波预测用户状态信息，估计动态环境下的信道变化特征，实时调整基站发送天线的波束矩阵与IRS的反射相移，使系统保密速率最大化，从而在整个时隙内实现安全性能的连续保障。仿真结果表明验证了该自适应优化方案在动态环境下的有效性与鲁棒性。

主要学术成果

[1] Zhiyi Wang, Yaoqiang Xiao, Bingshuai Wang, Sitao Wang, and Jing He. Security enhancement of a W-band millimeter-wave signal based on 3D Hilbert scrambling and diffusion[J]. Optics Letter, 2022, 47(20):5325-5328.（第一作者，SCI 2区）

[2] Zhiyi Wang, Yaoqiang Xiao, Sitao Wang, Yuansiyi Yan, Bingshuai Wang, Yating Chen, Zhihua Zhou, Jing He, and Liang Yang. Probabilistic shaping based constellation encryption for physical layer security in OFDM RoF system[J]. Optics Express, 2021, 29(12):17890-17901.（第一作者，SCI 2区）

[3] Zhiyi Wang, Yaoqiang Xiao, Jun Wang, Yuqing Li, Yonghong Zeng, Sumei Sun. Secure Beamforming with IRS-Enhanced Phase Shifting for ISAC Systems[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2025.（第一作者，JCR 1区，SCI 2区，已修改返稿）

[4] Zhiyi Wang, Yaoqiang Xiao, Bingshuai Wang, and Yuansiyi Yan. Secure Optical Communication based on Hilbert and Chaotic Scrambling in OFDM-PON[C]. Asia Communications and Photonics Conference (ACP), 2021, 1-3.（第一作者，EI会议）