Due to the broadcast nature of radio propagation, the wireless air interface is open and accessible to both authorized and illegitimate users. This completely differs from a wired network, where communicating devices are physically connected through cables and a node without direct association is unable to access the network for illicit activities. The open communications environment makes wireless transmissions more vulnerable than wired communications to malicious attacks, including both the passive eavesdropping for data interception and the active jamming for disrupting legitimate transmissions. Therefore, this paper is motivated to examine the security vulnerabilities and threats imposed by the inherent open nature of wireless communications and to devise efficient defense mechanisms for improving the wireless network security. We first summarize the security requirements of wireless networks, including their authenticity, confidentiality, integrity, and availability issues. Next, a comprehensive overview of security attacks encountered in wireless networks is presented in view of the network protocol architecture, where the potential security threats are discussed at each protocol layer. We also provide a survey of the existing security protocols and algorithms that are adopted in the existing wireless network standards, such as the Bluetooth, Wi-Fi, WiMAX, and the long-term evolution (LTE) systems. Then, we discuss the state of the art in physical-layer security, which is an emerging technique of securing the open communications environment against eavesdropping attacks at the physical layer. Several physical-layer security techniques are reviewed and compared, including information-theoretic security, artificial-noise-aided security, security-oriented beamforming, diversity-assisted security, and physical-layer key generation approaches. Since a jammer emitting radio signals can readily interfere with the legitimate wireless users, we also introduce the family of various jamming attacks and their countermeasures, including the constant jammer, intermittent jammer, reactive jammer, adaptive jammer, and intelligent jammer. Additionally, we discuss the integration of physical-layer security into existing authentication and cryptography mechanisms for further securing wireless networks. Finally, some technical challenges which remain unresolved at the time of writing are summarized and the future trends in wireless security are discussed.

In this correspondence, an adaptive cooperation diversity scheme with best-relay selection is proposed for multiple-relay cognitive radio networks to improve the performance of secondary transmissions while ensuring the quality of service (QoS) of primary transmissions. Exact closed-form expressions of the outage probability of secondary transmissions, referred to as secondary outage probability, are derived under the constraint of satisfying a required outage probability of primary transmissions (primary outage probability) for both the traditional non-cooperation and the proposed adaptive cooperation schemes over Rayleigh fading channels. Numerical and simulation results show that, with a guaranteed primary outage probability, a floor of the secondary outage probability occurs in high signal-to-noise ratio (SNR) regions. Moreover, the outage probability floor of the adaptive cooperation scheme is lower than that of the non-cooperation scenario, which illustrates the advantage of the proposed scheme. In addition, we generalize the traditional definition of the diversity gain, which can not be applied directly in cognitive radio networks since mutual interference between the primary and secondary users should be considered. We derive the generalized diversity gain and show that, with a guaranteed primary outage probability, the full diversity order is achieved using the proposed adaptive cooperation scheme.

Due to the broadcast nature of radio propagation, the wireless transmission can be readily overheard by unauthorized users for interception purposes and is thus highly vulnerable to eavesdropping attacks. To this end, physical-layer security is emerging as a promising paradigm to protect the wireless communications against eavesdropping attacks by exploiting the physical characteristics of wireless channels. This article is focused on the investigation of diversity techniques to improve the physical-layer security, differing from the conventional artificial noise generation and beamforming techniques which typically consume additional power for generating artificial noise and exhibit high implementation complexity for beamformer design. We present several diversity approaches to improve the wireless physical-layer security, including the multiple-input multiple-output (MIMO), multiuser diversity, and cooperative diversity. To illustrate the security improvement through diversity, we propose a case study of exploiting cooperative relays to assist the signal transmission from source to destination while defending against eavesdropping attacks. We evaluate the security performance of cooperative relay transmission in Rayleigh fading environments in terms of secrecy capacity and intercept probability. It is shown that as the number of relays increases, the secrecy capacity and intercept probability of the cooperative relay transmission both improve significantly, implying the advantage of exploiting cooperative diversity to improve the physical-layer security against eavesdropping attacks.

Enabling high‐efficiency solar thermal conversion (STC) at catalytic active site is critical but challenging for harnessing solar energy to boost catalytic reactions. Herein, we report the direct integration of full‐spectrum STC and high electrocatalytic oxygen evolution activity by fabricating a hierarchical nanocage architecture composed of graphene‐encapsulated CoNi nanoparticle. This catalyst exhibits a near‐complete 98% absorptivity of solar spectrum and a high STC efficiency of 97%, which is superior than previous solar thermal catalytic materials. It delivers a remarkable potential decrease of over 240 mV at various current densities for electrocatalytic oxygen evolution under solar illumination, which is practically unachievable via traditionally heating the system. The high‐efficiency STC is enabled by a synergy between the regulated electronic structure of graphene via CoNi‐carbon interaction and the multiple absorption of lights by the light‐trapping nanocage. Theoretical calculations suggest that high temperature‐induced vibrational free energy gain promotes the potential‐limiting O* to OOH* step, which decreases the overpotential for oxygen evolution.