[论文解读] Polar Coding for Secure Transmission in MISO Fading Wiretap Channels

Mengfan Zheng, Meixia Tao+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2014

Wireless Communication Security Techniques参考文献 7被引用 8

一句话总结

该论文提出了一种在MISO衰落窃听信道中利用人工噪声辅助预编码的极化编码方案，以实现保密容量。该方案在完美窃听信道状态信息（CSI）和部分信道分布信息（CDI）条件下，均实现了低复杂度编码/解码下的可靠且安全的传输，合法用户误码率接近零，而窃听者误码率≈0.5，适用于不同码长和信道条件。

ABSTRACT

In this paper, we propose a polar coding scheme for secure communication over the multiple-input, single-output, single-antenna eavesdropper (MISOSE) fading channel. We consider the case of block fading channels with known eavesdropper channel state information (CSI) and the case of fading channels with known eavesdropper channel distribution information (CDI). We use the artificial noise assisted secure precoding method to maximize the secrecy capacity in the first case, and to overcome the unawareness of the eavesdropper CSI in the second case. We show that our proposed scheme can provide both reliable and secure communication over the MISOSE channel with low encoding and decoding complexity.

研究动机与目标

• 设计一种适用于MISO衰落窃听信道中物理层安全需求的实用且时间复杂度为多项式的编码方案。
• 解决当窃听信道未严格劣于合法信道时，实现保密容量的挑战。
• 将极化码与人工噪声辅助预编码相结合，以增强安全性，同时保持低编码和解码复杂度。
• 在完美CSI和部分CDI两种场景下，确保合法接收机的可靠通信和窃听者的有效保密。
• 针对衰落MISO窃听信道，提出一种基于极化码和功率分配优化的保密容量达到码的构造性解决方案。

提出的方法

• 该方案使用极化码结合逐次消除解码，将信息比特传输至极化良好的比特信道，冻结比特则传输至较差的比特信道。
• 在发射端使用波束成形向量对人工噪声进行预编码，以恶化窃听信道质量，同时保持合法信道质量不受影响。
• 在CSI情况下，通过闭式表达式推导出信息信号与人工噪声之间的最优功率分配，以最大化保密容量。
• 在CDI情况下，基于信道分布知识设计预编码器，以确保在给定概率下达到目标保密速率，从而实现概率性保密速率保证。
• 码构造结合了在速率 $ R_B = C_B - \theta $ 下针对合法信道的极化码设计，以及在速率 $ R_E = C_E $ 下针对窃听信道的设计，并通过公式（30）–（32）实现安全比特分配。
• 系统采用二进制输入的MISO衰落瑞利 fading 信道，人工噪声注入后分析保密容量，使用Bhattacharyya参数评估信道极化程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 极化码能否与人工噪声预编码有效结合，以在MISO衰落窃听信道中实现保密容量？
• RQ2 在窃听信道状态信息（CSI）完全已知的情况下，如何推导出信息信号与人工噪声之间的最优功率分配，以最大化保密容量？
• RQ3 当仅获得窃听信道分布信息（CDI）时，如何设计一种可行方法，以在给定概率下保证目标保密速率？
• RQ4 所提出的方案在保持低编码和解码复杂度的同时，其可靠性和安全性在多大程度上得以维持？
• RQ5 在所提方案下，合法信道与窃听信道的性能如何随码长和信道实现的变化而变化？

主要发现

• 在CSI情况下，通过优化信息信号与人工噪声之间的功率分配，所提方案实现了保密容量，确保了通信的可靠性和安全性。
• 在CSI情况下，合法信道的误码率随码长增加而降低，而窃听信道的误码率保持在约0.5，表明保密效果显著。
• 在CDI情况下，合法信道的平均误码率为 $6.04 \times 10^{-3}$，窃听信道为 $5.01 \times 10^{-1}$，证实了在信道分布知识下仍具有有效保密性。
• CDI情况下窃听信道误码率的分布紧密聚集在0.5附近（范围0.45–0.55），表明窃听者无法可靠解码信息。
• 该方案保持了 $O(n\log n)$ 的低编码与解码复杂度，适用于实时应用。
• 提高目标概率 $p_0$ 或码长可进一步提升合法链路的可靠性，并使窃听信道误码率的累积分布函数（CDF）更加陡峭，从而增强安全保证。