基于Polar码的物理层安全编码技术研究

Physical layer secure coding (PLSC) is one of the most important research field of the physical layer security (PLS), and it is also a hot topic on the coding techniques. As the first provable Shannon-Capacity achieving coding scheme, polar codes are well suitable for the secure applications. However, as it shown in existing works that, the existing secure coding schemes based on polar codes rely on an assumption that the wiretap channel is degraded with respect to the main channel, which is hard to be extended to different wiretap systems and is also difficult to be satisfied in practical communication systems. To this end, this project focuses on the problems of “how to design practical polar codes with good bit error rate (BER) and security performance,” and several topics are investigated, which include: 1) according to the channel polarization theory, the relationship between the security performance of polar codes and the characteristics of the physical channels is driven; 2) based on the estimation of the security capacity, secure coding schemes using polar codes for the general wiretap system will be designed; 3) with the estimation of the security gap (SG), coding scheme based on polar codes will be proposed. Results of this project will promote practical implementations of the PLSC, and they will also provide reference for the security techniques of the future communication systems. Therefore, the main topics of this project have both theoretical interests and practical values.

物理层安全编码技术是物理层安全技术研究的重要方面，是近年来编码技术研究的重要内容。作为第一种能从理论上证明可获得Shannon极限性能的编码方案，Polar码应用于物理层安全编码领域具有独特的优势。然而，现有Polar安全编码方案大都建立在窃听系统安全容量存在的条件上：一方面不能适用于不同物理信道环境的窃听系统；另一方面也很难应用于实际的通信系统。为此，本课题围绕“如何设计适用于一般(广义)窃听系统的Polar安全编码方案” 展开研究，具体内容包括： 1）基于信道极化原理，研究Polar码理论性能与物理信道环境参数之间的关系，便于分析和证明Polar码的安全性；2）以安全容量为指标，研究适用于一般窃听系统的Polar安全编码方法；3）以安全带为指标，研究可获得较高SG性能的Polar安全编码方法。本课题的研究工作有助于促进物理层安全编码技术更加实用化，为未来通信系统的安全性提供技术参考。

本项目针对Polar码及其在的安全编码领域应用进行了深入的研究。项目计划内完成内容包括：1）基于Polar码字构造与物理信道参数关联特性，研究了不同物理信道参数与Polar码误码性能及安全容量的理论关系，推导出了相应的数学表达式；2）以安全容量为指标，提出了适用于一般窃听系统的基于人为噪声（AN）的Polar安全编码方案，并证明了其应用于物理通信的安全性；3）在以安全带为指标的安全Polar码字研究中，提出了基于自动重传（ARQ）、混合ARQ（H-ARQ）、多包级联ARQ的Polar编码方案，分析了其应用于安全传输的有效性。本项目还在提升Polar码字性能、Polar码级联方向进行了拓展性研究，主要包括：1）面向CRC辅助的Polar编译码，提出了最优CRC、分布式CRC、删余CRC的相应设计方案；2）面向非可靠比特信道保护，提出了Polar码与卷积码并行级联的编码方案，该方案获得了迄今为止有关Polar码字最优性能；3）针对Polar 码在带限信道条件下的高效传输问题，提出了非正交成型的Polar编码方案；4）针对Polar码在多级编码调制中的应用，提出了基于比特信道误码特性和因子图的编译码算法。本项目研究成果可为未来通信系统的可靠信道编码和安全编码提供技术参考。