[论文解读] Comparison of Short Blocklength Slepian-Wolf Coding for Key Reconciliation

Mahdi Shakiba-Herfeh, Arsenia Chorti|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2021

Wireless Communication Security Techniques参考文献 23被引用 15

一句话总结

本文在短块长条件下评估并比较了极化码、LDPC码和BCH码在Slepian-Wolf密钥协调中的性能，重点关注可靠性与译码复杂度。结果表明，采用列表译码（列表大小128）的极化码在块长128和512比特时显著优于其他码，在帧错误率（FER）方面表现接近最优，且复杂度可控，尤其在短块长场景下优势明显。

ABSTRACT

We focus Slepian-Wolf (SW) coding in the short blocklength for reconciliation in secret key generation and physical unclonable functions. In the problem formulation, two legitimate parties wish to generate a common secret key from a noisy observation of a common random source in the presence of a passive eavesdropper. We consider three different families of codes for key reconciliation. The selected codes show promising performances in information transmission in the short block-length regime. We implement and compare the performance of different codes for SW reconciliation in the terms of reliability and decoding complexity.

研究动机与目标

• 评估并比较极化码、LDPC码和BCH码在短块长Slepian-Wolf编码中用于密钥生成的性能。
• 评估在短块长条件下译码复杂度与帧错误率（FER）之间的权衡。
• 研究列表译码技术在低时延密钥协调中提升可靠性的有效性。
• 将码性能与文献[13]给出的信息论有限长度上界进行基准对比。

提出的方法

• 采用列表大小128实现极化码的列表译码，以在短块长下提升纠错能力。
• 对LDPC码采用有序统计译码（OSD），列表大小t=2，以增强短块长下的性能。
• 采用二阶BCH列表译码以超越标准译码的纠错能力。
• 通过公开信道传输校验子，使Bob能利用校验矩阵重构Alice的序列。
• 在成功协调后应用隐私放大，提取出公共秘密密钥。
• 对块长n=128和n=512的FER性能进行仿真，将各码性能与文献[13]中的理论上限进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在密钥生成的短块长Slepian-Wolf编码中，极化码、LDPC码和BCH码在帧错误率（FER）方面的表现如何？
• RQ2 在短块长条件下，列表译码对这些码的可靠性与译码复杂度有何影响？
• RQ3 随着块长增加，码的FER与信息论上界之间的差距如何演变？
• RQ4 列表译码对每类码的性能提升程度如何？这种增益是否与增加的复杂度成比例？

主要发现

• 在块长n=128时，列表大小为128的极化码在H(YA[i]|YB[i])=0.1944条件下的帧错误率（FER）比经典极化码低约两个数量级。
• 在n=128时，列表大小为128的极化码、二阶BCH列表译码以及LDPC迭代列表译码（t=2）的FER性能几乎相同，约为10^-3。
• 在n=512时，列表大小为128的极化码与理论下界之间的FER差距小于n=128时，表明在更大块长下上界更为精确。
• 在两个块长下，列表译码均显著提升了极化码的性能，但随着块长增加，LDPC码和BCH码的性能增益逐渐减小，尤其在n>512后更为明显。
• 当使用更高列表大小时，LDPC码和BCH码的列表译码复杂度显著增加，使其在大块长下不切实际。
• 由于极化码在列表译码下表现出更优的FER性能以及相对可控的复杂度增加，其成为短块长密钥协调的最优选择。