安全性能是无线通信系统的一项重要指标。传统的加密安全传输技术是在系统上层先对信息进行加密处理,然后通过无线信道传输到目标用户。但由于无线信号的广播传输特性,窃听者很容易窃听到加密后的无线信号并采用高性能的计算机进行破解。因此,传统的加密安全传输技术仍然存在安全隐患。物理层安全技术是利用信道特征实现安全无线通信,无需在系统上层对信息进行加密。由于低频段频谱资源枯竭,新一代无线通信系统为满足更宽带宽和更高速率需求,载波频率朝着更高频的毫米波频段发展已成必然。通信频段的升高,引起了信道特性的变化。毫米波路径损耗大、反射能力强、衍射能力弱的独特信道特性使得无线通信方式从单天线向大规模天线阵列波束成形转变,产生物理层安全领域研究的新挑战。虽然阵列天线数量的增加提升了毫米波波束的物理层安全性能,但当窃听者的接收增益无限增加或者窃听者处于波束传播的主瓣方向时,物理层安全技术仍然会失效。因此,研究解决旁瓣区域敏感窃听问题和波束主瓣窃听问题对提升毫米波波束成形传输系统的物理层安全性能有重要的意义。为此,本文针对传统波束旁瓣区域的敏感窃听难题和波束主瓣窃听难题,通过开拓相控天线阵列的幅度、频率和相位自由度,提出可编程幅度权重定向角度波束成形、旋转角度波束成形和定区域波束形成三种物理层安全传输技术方案。论文的主要研究工作和所提出的创新性总结如下:1.基于可编程幅度权重相控阵列的定向角度波束成形物理层安全传输技术。为加大旁瓣泄漏信号随机化程度,解决旁瓣方向的敏感窃听难题,提出可编程幅度权重相控阵列实现反转幅度天线子集和最优幅度权重天线子集的定向角度波束成形物理层安全技术方案。研究了幅度天线子集和有限相移器分辨率的波束形成增益数学统计特征定理,得到旁瓣随机化信号的近似高斯分布特征和旁瓣人工噪声功率最大化的天线子集设计优化模型。提出用模拟退火粒子群优化算法构建优质天线子集矢量码本的旁瓣随机化峰值幅度优化方案。仿真结果表明,所提方案能提供鲁棒性性能更好的旁瓣安全速率。2.旋转角度波束成形物理层安全传输技术。为解决波束主瓣方向的窃听难题,通过开拓多频相控阵列的频率自由度,提出了角度距离双参数控制的旋转角度波束成形物理层安全传输技术。提出了波束旋转定理,公式化了波束主瓣、栅瓣和零瓣的传播轨迹方程。分析了降低波束栅瓣影响的频率偏移增量优化设计方法。采用波束零旁瓣旋转技术在特定区域产生信号接收盲区,解决已知位置信息的窃听者。采用波束动态旋转技术降低旁瓣平均增益,避免未知位置信息的窃听者捕捉波束主瓣实施窃听。通过仿真对所提方案的安全速率性能进行分析。3.定区域传输波束成形物理层安全传输技术。为解决波束主瓣传输路径上的物理层安全失效难题,提出控制多频相控子阵列的频率偏移增量矢量实现子波束在目标区域有效叠加和在目标区域外相互抵消的定区域波束成形物理层安全技术。设计人群搜索算法和块坐标下沉线性逼近算法,分别解决未知窃听位置信息和已知窃听位置信息的多频相控子阵列频率偏移增量矢量选择的非确定多项式难(NP-Hard)问题。分析了天线子阵列的划分方案、最大频率偏移增量设置范围与安全速率的关系。对所提方案的物理层安全性能进行理论分析与仿真。综上所述,论文针对毫米波波束成形无线通信存在的物理层安全传输挑战难题,提出了三种波束成形技术的物理层安全传输方案,解决了波束旁瓣区域敏感窃听难题和波束主瓣上的零安全速率难题。系统的仿真结果验证了论文所提技术方案的有效性。