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。但是现阶段的研究仍然存在以下问题有待改善:(1)保证私密信息强安全传输的随机冗余使得码字间实际汉明距离变小,导致强安全编码的抗噪能力较差;(2)当合法信道与窃听信道均为二进制删除信道(Binary Erasure Channel,BEC)时,编码方式的任何变化对合法接收者和窃听者的影响相同,导致缺乏强安全且可靠的编码;(3)在已知信道统计信息时,尽管利用信道极化理论可以得到强安全且可靠的编码,但是私密信息传输效率较低;(4)现有级联安全编码的安全间隙较大,不利于实现私密信息在合法信道和窃听信道的区分传输。针对上述问题,本文依托国家自然科学基金项目“无线通信信道特征等效下的物理层安全性研究”,首先基于互信息理论和典型序列理论,分析了编码可靠性与安全性的关系,然后以将合法信道与窃听信道较小的特征差异转化为合法接收者与窃听者较大的误比特率差异为主线,面向不同场景,重点研究合法信道有噪时的安全编码技术。主要研究成果如下:1.针对合法信道为高斯信道且窃听信道为BEC时,强安全编码抗噪能力差的问题,提出了一种基于部分陪集的强安全编码。该方法利用信道模型的差异,实现私密信息的区分传输。首先,为了保证强安全,文章证明了当且仅当陪集母码的对偶码的最小汉明距离大于信息泄露位数时,利用部分陪集编码能够保证私密信息在BEC窃听信道的强安全传输。然后,为了提高可靠性和有效性,文章通过分析陪集编码的一系列性质将计算陪集间汉明距离的复杂度简化为1次查表运算,再证明了势最大的部分陪集集合一定包含基准陪集,进而根据最大完全子图理论提出了一种基于树形深度优先的搜索算法,得到了一定距离冗余下的最大可用陪集集合,从而提高私密信息在高斯合法信道的抗噪能力。最后,给出了典型陪集母码下所提方法的抗信息泄露和抗噪声能力,以及相应的最大可用陪集集合。理论分析和仿真结果表明,当陪集母码为BCH(15,11)的对偶码时,与传统陪集编码方案相比,该方法在保证私密信息传输的强安全的同时,对合法信道的信道质量要求降低了5dB。2.针对合法信道与窃听信道均为BEC时,无法同时保证强安全且可靠传输的问题,提出了一种基于爆发喷泉码级联陪集预映射的安全编码方法。该方法利用信道删除概率的差异,实现私密信息的区分传输。首先,利用喷泉码的无速率特性,保证私密信息的可靠传输。然后,通过优化度分布构造了具有爆发译码速度的喷泉码,并利用它随机生成和爆发译码的特性,保证对窃听者泄露尽量少的符号。为了进一步保证强安全,文章在喷泉编码前增加陪集冗余,防止窃听者从已泄露的符号中获取私密信息。仿真结果表明,该方法能够自适应合法信道质量,保证信息的可靠传输,同时减少符号泄露量,便于配合陪集编码保证强安全。3.针对极化安全编码信息速率较低的问题,提出了一种面向私密信息位的极化强安全打孔方案。该方法利用信道极化后逻辑信道传输能力的差异,实现私密信息的区分传输。首先,为了保证私密信息的强安全且可靠传输,文章根据信道极化理论提出了一种安全极化母码构造方法。然后,为了提高私密信息传输的有效性,文章通过分析极化编码器的迭代构造结构,利用3个参数表征输出符号与特定输入位的校验关系,并以仅对私密信息输入位的影响程度最小为原则,提出了一种安全极化码打孔方案。仿真结果表明,当合法信道和窃听信道的交叉转移概率分别为0.01和0.15时,在满足强安全与可靠传输的前提下,所提方法的传输效率提高了12.7%。4.针对级联函数错误扩散能力较弱,不利于通过减小安全间隙将信道编码扩展应用到安全编码的问题,提出了一种基于平衡扩散多输出函数的级联安全编码方法。码字的安全间隙越小,越容易利用信噪比差异,实现私密信息的区分传输。为此,文章首先指出了现有关于随机扰乱方法具有最佳错误放大结论的局限性,然后根据布尔函数理论,构造了满足错误扩散准则的多输入多输出函数,对信道译码后低信噪比区域内的误比特率进行错误放大,达到减小安全间隙的目的。同时,为了防止输入均匀分布时输出出现集中分布,文章进一步优化保证了函数的平衡性。仿真结果表明,与现有方法相比,本文所提方法的错误扩散能力更逼近理论限,安全间隙缩小了3.5dB。