[发明专利]一种衰落窃听信道下基于极化码的安全容量可达编码方法

说明书

本发明公开的一种衰落窃听信道下基于极化码的安全容量可达编码方法，属于信道编译码技术领域。本发明针对具有连续变化的多个状态的衰落窃听信道，按照“随机比特+信息比特+冻结比特”的信息组合方式进行分层极化编码，对于窃听信道所在的BEC信道采取“R+I”的信息组合方式，在合理的位置插入适量的随机比特，并且使得随机比特的数量恰好覆盖窃听信道的信道容量，以满足安全性；同时在合法信道的BEC信道采取“I+F”的信息组合方式，在合理的位置插入信息比特，使可达最大传输速率能够达到安全容量的上界。本发明在瞬时CSI在发送机处未知，即在发送机处只知道统计CSI的情况下，仍能够实现达到信道安全容量的同时满足可靠性和安全性的条件。

技术领域

本发明涉及一种衰落窃听信道下基于极化码的安全容量可达编码方法，属于信道编译码技术领域。

背景技术

第五代移动通信系统(the fifth generation communication system,5G)的业务范围日趋广泛，由于无线设备的移动性和无线信道的开放性，5G移动网络面临着日益复杂的安全威胁。物理层安全技术利用无线信道固有的随机性和时变特性，在物理层实现无密钥安全传输，为保障通信系统的安全提供了新思路。如何将物理层安全技术应用于5G移动通信中，使合法用户通信质量得到保护的同时防止信息被窃听，成为窃听通信问题的主要研究方向之一。

窃听信道模型由Wyner在1975年首次提出，其中证明当合法信道质量优于窃听信道质量时，安全编码能够从信息论上严格保证信息传输的安全性。通过与合法信道特征耦合绑定，安全编码方法能够在物理层通过一次编译码实现从发送端到窃听者的可靠传输。但无线信道的时变衰落效应会衰减在合法目的地接收的信号质量，从而导致保密容量的降低。

2008年，Arikan提出的极化码在理论上被严格证明达到了香农极限，可以实现二进制输入对称离散无记忆信道的通信容量。极化码具有确定性的构造方法，其生成矩阵G按照固定的递归结构产生，编译码复杂度仅有Nlog₂N，其编码过程即为信道极化过程。信道极化过程与传输信道特性自然匹配，而其他信道编码技术则仅与码类型、码参数、码特性间存在较强的耦合关系，因此极化码与物理层安全编码的结合具有显著优势。

极化安全编码正是利用极化逻辑信道质量的划分，在质量“好”的合法逻辑信道而质量“差”的窃听逻辑信道上传输私密信息，在两者质量都“好”的信道上传输随机信息，在两者质量都“差”的信道上传输已知的固定信息(冻结比特)，从而实现信息安全传输。然而，对于具有离散值或连续值噪声的衰落信道的情况，极化编码的研究仍然有限。

在衰落窃听信道的极化安全编码研究方面，出现了通过将具有两种状态的信道进行码块划分的极化编码方法，当发射端只知道信道状态信息(channel stateinformation,CSI)的统计分布时，可以实现可靠性和安全性。但它只考虑了合法信道和窃听信道具有优越和退化的两种状态时的情况，当信道的变化情况更多样时并不适用。而另一种基于信道状态信息的二维极化编码方法考虑了具有多种状态的块衰落在窃听信道上的通信，然而这种编码方法需要预先知道信道的瞬时CSI，这在实际应用场景中难以实现。

发明内容

针对现有极化安全编码方法在衰落窃听信道场景下的局限性，本发明的主要目的是提供一种衰落窃听信道下基于极化码的安全容量可达编码方法，针对具有连续变化的多个状态的衰落窃听信道，按照“随机比特(R)+信息比特(I)+冻结比特(F)”的信息组合方式进行分层极化编码，对于窃听信道所在的BEC信道采取“R+I”的信息组合方式，在合理的位置插入适量的随机比特，并且使得随机比特的数量恰好覆盖窃听信道的信道容量，以满足安全性；同时在合法信道的BEC信道采取“I+F”的信息组合方式，在合理的位置插入信息比特，使可达最大传输速率能够达到安全容量的上界。本发明在瞬时CSI在发送机处未知，即在发送机处只知道统计CSI的情况下，仍能够实现达到信道安全容量的同时满足可靠性和安全性的条件。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。