基于Polar码的信道安全编码研究开题报告

1. 研究目的与意义

随着移动通信技术的快速发展，无线网络得到更为广泛的普及。然而，无线信道的开放性、网络的多样性和复杂性，使得无线通信系统更容易受到其他用户的安全攻击。

在无线通信系统中，其性能指标主要体现在有效性、可靠性、保密性等几个方面。当然，随着人们在近几十年中对通信领域不断进行研究，无线通信系统在有效性以及可靠性方面有了质的提高。在有效性方面，全球移动通信系统(global system for mobile communications，gsm)所支持的数据传输速率仅为9.6kbit/s，而lte-a(long term evolutionadvanced)的下行峰值速率将高达1gbit/s。类似地，无线通信系统的可靠性也有了很大程度的提升。然而，随着移动通信的迅速普及和业务类型的多样化，特别是很多金融业务开始在智能终端中进行，无线网络中的通信安全变得越来越重要。

由于无线信号具有广播特性，使得其信号必然会泄露因此保障无线通信的安全性是一个极具挑战的任务。在实际无线通信中，信道具有时变性与多样性，同时通信双方的信道特征又具有唯一性与互异性，因此可以利用物理层传输的这些特征在保证合法用户正常通信的同时增加窃听者获取信息的难度以保证通信的安全性。基于物理层的安全编码技术来保障通信安全是近年来的研究热点。在物理层安全中，wyner建立的退化窃听信道模型是最为重要的安全模型之一。而polar码作为最早且至今唯一可从理论上严格证明能够达到香农极限的确定性编码方案，具有编码结构简单、编译码复杂度低等特点。因此将polar码应用于退化窃听信道的安全编码成为了近年来的重要研究方向。

2. 研究内容和问题

极化码在提出之后便得到了国内外的广泛关注,近几年关于极化码的研究更是层出不穷。目前针对极化码的研究，主要关注极化码的构造方法、编译码算法以及实现等方面。

近年来,陆续有研究者针对退化窃听信道下的安全编码问题,提出了相应的极化码编码方法。这些基于极化码的安全编码方法在思想上是类似的，都是选择对合法接收用户无噪而对窃听用户全噪的比特信道来传输秘密消息，在接收端采用连续消除译码器，可以获得二元对称离散无记忆信道假设条件下退化窃听信道的安全容量。

研究在退化窃听信道下的安全编码技术，主要是设计一种编码方法，能同时实现传输可靠性和安全性的要求，使传输速率接近甚至达到系统的安全容量。极化码作为一种新型的编码方法，在安全编码技术中得到了很好的应用。针对退化窃听信道，利用极化码设计一种低复杂度、保密性强的安全编码方法。

3. 设计方案和技术路线

极化码由arikan首先提出，具有两个值得关注的特点。首先，极化码是第一类被证明能够达到任意离散无记忆信道的信道容量的编码方法；其次，极化码属于线性码，具有较低的编译码复杂度。arikan基于信道极化现象提出了极化码的构造及编译码方法，先从arikan提出的经典方法出发，了解极化码的构造及编译码方法，为后续研究工作提供理论基础。

基于极化码的安全编码技术，研究在非退化窃听信道下基于极化码的安全编码方法。这里假定信道模型均为二元对称信道。由于非退化窃听信道下无法只通过安全编码来实现秘密消息的安全可靠传输，因此在安全传输系统中引入反馈结构使非退化窃听信道等效退化，进而把极化码应用在等效的退化窃听信道中。最后从理论分析和仿真中证明提出的安全编码方法能够保证传输的可靠性和安全性。

通过仿真分析基于反馈结构采用极化码的安全编码方法，主要用合法用户bob和窃听用户eve译码的误比特率来衡量所提出方法的可靠性和安全性。对合法用户bob来说，在接收码字后译码的误比特率越小，秘密消息能够准确恢复的概率越大，安全编码方法的可靠性就越高；对窃听用户eve来说，接收码字译码后的误比特率越接近0.5，相当于接收到的码字对秘密消息贡献的信息量越少，通过对接收码字进行译码估计秘密消息和直接投一枚硬币决定秘密消息的概率差不多，如果能符合这个条件，安全编码方法的安全性能就能得到保证。

4. 研究的条件和基础

运营matlab搭建信道模型进行仿真。