基于信道差异的物理层安全编码技术研究

This research focuses on physical layer security codes with high transmission efficiency by transforming the difference in channel quality into the difference of bit error rate, where a same model is employed for both legitimate channel and wiretap channel. Three major topics are included: 1) precoding methods based on propagation criterion aiming to reduce the requirement on quality of legitimate channel compared to wiretap channel by narrowing the security gap, 2) security codes based on digital fountain which can match the legitimate channel adaptively to ensure the security and reliability under a feedback channel without channel estimation, 3) efficient security codes based on puncturing polar codes through channel estimation without feedback channels by puncturing the specific bits. This research aims to achieve theoretical breakthroughs and technological innovations for studies mentioned above, and further to promote researches on wireless communication security.

本课题针对合法信道与窃听信道为同一信道模型的场景，以将信道质量差异转化为误比特率差异为主线，重点研究具有高传输效率的物理层安全编码。主要内容包括：基于扩散准则的预编码方法，通过缩小安全间隙，降低合法信道相对于窃听信道的质量要求；存在反馈信道、不存在信道状态估计时，基于爆发喷泉码的安全编码方法，通过自适应合法信道状态，保证安全且可靠传输；不存在反馈信道、存在信道状态估计时，基于极化码打孔的安全编码方法，通过面向特定私密信息位打孔，提高传输效率。本课题预期在上述几方面获得理论突破和技术创新，促进无线安全通信领域的进一步发展。

物理层安全编码是一种同时保证私密信息可靠和安全传输的信道编码技术。它利用合法信道与窃听信道的固有差异，在物理层从信息层面直接防止私密信息被窃听。.本课题重点进行了四个方面的研究：1）以m序列为基础，根据布尔函数理论，研究了基于错误扩散且平衡多输出的预编码方法，减小了安全间隙，保证了函数的平衡性；2）不存在信道状态估计时，研究了基于反馈、基于信道衰落特性、基于关键符号干扰等安全喷泉码编码方法，在保证私密信息安全传输的同时,能够自适应合法信道质量，充分保证合法接收者的传输可靠性；3）以逻辑映射为基础，研究了基于等容量信道映射和基于最大容量信道映射的多天线极化编码，针对码域加扰研究了基于信道映射和基于误码率的加扰位置选择方法，针对非配合场景研究了单中继辅助和多中继辅助的极化安全编码方法；4）联合信号处理、密钥生成、MIMO等技术研究了不同场景下的安全传输方法，并在原型通信系统上验证了相关编码方法。.上述研究为物理层安全编码提供了新思路，为物理层安全技术的发展和实用起到了一定的推动作用。