物理层安全编码是一种与传输信道匹配的、同时兼具安全性与可靠性的特殊编码技术,不仅要求所采用的母码具有良好的香农极限性能,还需要编译码性能对信道质量差异敏感。从这一点看,从信道极化过程中演化而来的极化码,具有与信道质量耦合绑定的显著优势,是一种极具潜力的安全编码母码。因此,本论文着力研究基于极化码的物理层安全编码方法,将合法用户与窃听者间的信道差异更好地转化为译码可靠度上的差别,从而在物理层防止私密信息被窃听者破译。然而,由于有限码长下信道极化不理想,以及信道差异性不足,使得实用型极化安全编码方法的安全传输速率亟待提升。具体地,存在以下问题:(1)单输入并行信道极化的多样性有限,不利于极化安全编码获得更高的安全传输速率;(2)信号域上干扰辅助极化安全编码方法的效率低且应用场景受限;(3)传统中继辅助的极化安全编码方法对中继节点的依赖性过强,在中继非完全配合的场景中,安全传输速率迅速下降。针对上述问题,本文以提高安全传输速率为目标,分别利用多输入并行信道、码域加扰和概率译码转发中继辅助的方法扩大并充分利用等效合法信道与窃听信道的差异性,进一步增强极化安全编码与信道的匹配程度。主要研究内容如下:1.针对单输入并行信道极化的多样性有限,不利于极化安全编码获得更高的安全传输速率的问题,提出了一种多天线系统中的极化安全编码方法,利用多天线系统中发送信道的可用时隙扩展构造多输入并行信道,增加有限码长下信道极化的多样性、差异性。该方法通过调整并行信道映射规则,减少中间信道数量并增加合法用户与窃听者信道容量差大的逻辑信道数量,提高安全传输速率。具体地,为了减少中间信道数量,对不同的传输时隙间的并行信道采用等容量差信道映射方法,增加相同码长下的信道极化程度。同时,为了增加合法用户与窃听者信道容量差大的逻辑信道数量,对相同的传输时隙内的并行信道采用最大容量差信道映射方法,在已划分的逻辑信道集合内部调节可靠度分布,增加私密信息数量,最终达到提高安全传输速度的目的。仿真结果表明,在合法信道与窃听信道平均容量分别为0.85和0.5,极化阶数n(28)9时,所提方法相比随机信道映射方法与Arikan单输入并行信道下的极化安全编码方法,安全传输速率分别由0.029,0.004提升到了0.042。2.针对信号域上干扰辅助极化安全编码方法效率低且应用场景受限的问题,提出一种基于码域加扰的极化安全编码方法。该方法将上一码块中仅合法双方已知的私密信息作为加扰序列,在码域上对比特信息有选择地进行加扰,在不影响合法通信的同时,增加合法用户与窃听者的译码性能差异,提高安全传输速率。其中,由于码字中不同位置的信息对译码的贡献不同,为了最大程度恶化窃听者接收性能,分别提出了基于信道映射和基于误码率的加扰位置选择算法,前者具有更低的复杂度,后者具有更好的优化性能。最后,基于上述加扰位置选择算法,更新极化安全编码中私密信息、随机信息和固定信息的划分,实现信息安全传输。仿真结果表明,在码长N(28)128,码块数T(28)10的条件下,所提出的基于误码率加扰的极化安全编码方法和基于信道映射加扰的极化安全编码方法的安全传输速率分别为0.41和0.4,均好于随机选取加扰位置的方法(0.33)与一般极化安全编码方法(0.12)。3.针对中继节点非完全配合时,传统中继辅助的极化安全编码方法的安全传输速率迅速下降的问题,本文将非完全配合中继建模为依概率译码转发,并在此基础上进行安全编码设计,提出概率译码转发中继系统中的极化安全编码方法。针对单中继系统,首先发送端依次进行两层极化编码,即中继概率转发行为构成的虚拟二进制删除信道下的极化编码和实际传输信道下的极化编码,分别实现时隙内和时隙间的信息校验,并将私密信息分别隐藏在两层码字中,分时隙广播出去。然后,中继依概率译码后提取出合法用户无法获得的固定信息再次进行极化安全编码并转发。最后,接收端利用收到的中继转发码字和发端码字依次分层进行译码,实现信息的安全可靠传输。紧接着,本文又将该方法扩展到了多中继系统模型中,将安全传输速率表示为中继数量、中继译码转发概率、码长、时隙数和信道状态信息的函数,进一步讨论了使安全传输速率最大的发送速率优化选择问题。理论分析表明,当码长和时隙数趋于无穷时,所提方法下合法用户的误比特率趋于0,且私密信息达到弱安全条件。仿真结果表明,所提方法的安全传输速率始终高于传统中继辅助的极化安全编码方法,且在多中继系统中以最优发送速率传输获得的安全速率高于随机选择发送速率的方法。