聯合信道安全編碼中的Turbo碼復用器設計方法
2023-05-05 13:58:31
專利名稱：聯合信道安全編碼中的Turbo碼復用器設計方法
技術領域：
本發明涉及Turbo碼，也稱為並行級聯卷積碼(Parallel ConcatenatedConvolutional Code7PCCC)的一種編解碼器設計方法,主要涉及具有加密功能的編碼碼流的復用器(Complexor)設計方法。
背景技術：
為了在有噪信道上進行可靠傳輸，需要克服信道中的噪聲和幹擾。信道編碼(Channel Coding)或稱前向糾錯編碼(Forward Error Correction, FEC),根據一定的準則在待發送的信息碼元中加入必要的校驗碼元，接收端利用校驗碼元與信息碼元之間的編碼準則，檢測和糾正差錯，提高信息碼元傳輸的可靠性。研究信道編碼的目標是利用最少的校驗碼元，提高信道傳輸的可靠性，即在保證傳輸可靠性的前提下，儘量提高編碼效率。常用的信道編碼方案主要包括=Hamming碼、線性分組碼、卷積碼、BCH碼、RS碼等。隨著信道編碼理論和計算機硬體技術的發展，在1993年召開的國際通信會議上，C.Berrou等學者提出了 Turbo碼的編、解碼方案。它由2個(或I個)遞歸系統卷積碼(Recursive System Convolutional Code, RSCC)通過 I 個(或 1-1 個)交織器以並行級聯的方式結合而成，因此也稱為並行級聯卷積碼(Parallel Concatenated ConvolutionalCode, PCCC)。Turbo碼採用迭代算法解碼，仿真試驗結果表明，經過18次迭代解碼，在信噪比Eb/N0彡0.7dB時，碼率為1/2的Turbo碼在加性高斯白噪聲(Additive WhiteGaussian Noise, AWGN)信道上的誤比特率(Bite Error Rate, BER) Pb ^ ICT8,達到了近香農(Shannon)限的性能。至此,Turbo的研究將信道編碼技術推進到了一個新的高度:使其後的信道編碼性能不再以互相比較為目標，而是直接與香農限相比較。2個分量的Turbo編碼器框圖如圖1所示。從編碼器框圖1可以看出，Turbo碼編碼器首先對輸入比特流u進行編碼，獲得3個碼流!!、(^和^，為了復用成為I個碼流，編碼器引入了復用器(Complexor)。復用器按照一定的次序將3個碼流復用成為I個碼流，傳統復用器一般採用U、C1和C2的順序進行復用，從而該碼流不具備加密功能。為使編碼碼流具有加密功能，降低編碼系統複雜度，本發明對Turbo碼編碼器進行改進，對復用器的輸出次序採用密鑰控制，接收端在密鑰未知的情況下，不能獲得正確的碼流次序，從而使修改後的編碼器輸出的碼流具有加密功能，改進後的編碼器框圖如圖2所示。
發明內容
為了解決經典Turbo碼編碼器中復用器設計簡單，編碼碼流不具備加密功能的問題，本發明設計了一種基於密鑰控制的隨機復用方法。該方法設計了一種與Turbo碼編碼器的交織器(Interleaver)等長的隨機復用器， 實現了 Turbo碼編碼器的碼流加密功能。本發明解決技術問題所採用的技術方案是:採用密鑰Key為種子，產生一個與交織器長度N相等的隨機序列。由於輸入的3路數據流U、C1和C2總計有6種不同的排列方式，即^UC1C2 !Duc2C1 ；2) C2UC1 ；3) C2C1U Ac1Uc2 ;5) C1C2L故本發明由該隨機序列進行模6 (mod6)運算，產生一個長度為N的6進位隨機序列，即該序列中的元素取自集合{0，1，2，3，4，5}。將3路數據流u、Cl和C2輸入復用器，復用器根據N長6進位隨機序列決定輸出次序，其對應關係為:i對應第i種輸出次序，i = 0，1，2，3，4，5。解復用時，用與發送端相同的密鑰產生相同的N長6進位隨機序列，根據該序列輸出正確的碼流次序，最後進行信道解碼。有益效果是，本發明設計的復用器，使編碼碼流具有加密功能，從而將信道編碼器和加密器合併成為一個聯合信道安全編碼器，降低了分離的信道編碼器和加密器的編碼及解碼複雜度。另一方面，通過密鑰Key為種子產生的N長隨機序列，該隨機序列同時用於交織器和復用器，從而本發明並沒有顯著增加編解碼器的複雜度。
圖1傳統Turbo碼的編碼器模型圖中:1.第一分量卷積碼編碼器，2.隨機序列交織器，3.第二分量卷積碼編碼器，
4.復用器，u為輸入待編碼序列，U1為交織器輸出序列，C1和C2分別為兩個遞歸卷積碼編碼器輸出序列，c為多路復用器輸出序列。圖2修改後的 Turbo碼編碼器模型圖中:Key為輸入密鑰。圖3復用器模型，是圖2中的模塊4的具體實現圖中:5.隨機序列發生器，6.模6運算器，7.次序判決器，Key為輸入密鑰，Ci為N長隨機序列，C6為N長6進位隨機序列，u，C1, C2為輸入碼流，c為多路復用器輸出序列。
具體實施例方式本發明的復用器設計方法，主要分為編碼碼流的復用和解復用，實現碼流的加密功能。1.復用器設計方法分析Turbo碼編碼器的碼流可知:一方面，為了使信道能夠傳輸編碼碼流，需要將3個碼流復用成為I個碼流；另一方面，如果所輸出的碼流次序是隨機的，在輸出碼流被截獲的情況下，竊聽者不能獲得正確的編碼碼流，從而實現了編碼碼流的保密性。本發明的復用器用於圖2的Turbo碼編碼系統，復用器由用戶控制密鑰Key、隨機序列發生器、模6運算器和次序判決器組成，其輸入為3個編碼序列，輸出為經過隨機復用之後的編碼序列，詳細結構如圖3所示。本發明設計的復用器的具體實施方案如下，以修改後的Turbo碼編碼器(圖2)為例進行闡述。首先對輸入序列u進行編碼。在圖2中，設交織器長度為N，將序列u進行N長分組，通過下面的編碼方案得到3路輸出:第一路輸出為待編碼序列U。第二路輸出:輸入序列u經過第一分量卷積碼編碼模塊I的輸出C1。第三路輸出:輸入序列u經過交織器模塊2，重新排序後輸出u1，將U1作為第二分量卷積碼模塊3的輸入，輸出編碼碼流為c2。其次，將用戶控制的密鑰Key輸入隨機序列發生器模塊5，產生I個N長隨機序列Ci,將該序列輸入模6運算模塊6，產生I個N長6進位隨機序列c6。最後，將3路編碼碼流U、Cl、C2和N長6進位隨機序列C6輸入次序判決器模塊7，模塊7根據6進位隨機序列C6決定碼流的輸出次序，合併為I個碼流輸出C。在本發明的設計方案中，隨機交織器模塊2的隨機排序可以採用隨機序列發生器的輸出隨機序列Ci，模塊I和模塊3的分量卷積碼編碼器採用相同的遞歸系統卷積碼編碼器。例如，設N = 5, u = 10011, C1 = 01100, C2 = 10010, C6 = 30154,則改進前 Turbo編碼器(圖1)的輸出為C = 101 010 010 101 100。採用本發明設計的復用器模塊4後，改進的Turbo編碼器(圖2)輸出的編碼序列為:由於C6 = 30154，輸出次序為=C2C1U, UC1C2,UC2C1, C1C2U, C1UC2，從而輸出碼流為 c = 101 010 001 011 010。2.碼流解復用方法設計在通信系統的接收端收到經過調製的碼流後，經過下面四個步驟進行解復用:首先，對碼流進行解調，獲得數字碼流信號；其次，將數字碼流進行3N長分組，每組再細分為長度為3的N個小組；再次，使用與編碼端相同的密鑰，產生一個N長6進位隨機序列；最後，根據6進位隨機序列的值，恢復每個小組的正確次序，即可恢復正確次序的3N長序列。例如，設N = 5，C6 = 30154，接收端收到序列為 c = 101 010 001 011 010。由 C6=30154可知，發送端的碼流次序為-C2C1U, UC1C2, UC2C1, C1C2U, C1UC2,這樣就可以根據需要調整碼流次序，使輸出次序均為UC1C2。通過正確的次序交換，最後得解復用的輸出為:101010 010 101 100，即可獲得了正確的編碼碼流輸出，即U = IOOlLc1 = 01100，C2 = 10010，從而可以進行正確解碼。
權利要求
1.一種基於密鑰控制的Turbo復用器設計方法，其特徵是數據經過Turbo編碼器編碼後，利用復用器的復用功能實現編碼碼流的復用和加密功能。
2.根據權利要求1所述的基於密鑰控制的復用器設計方法，其特徵是:復用器與交織器相關，採用密鑰產生一個長度為N的隨機序列的交織器，再由該隨機交織器產生一個N長6進位隨機序列，根據該6進位隨機序列確定復用器輸出碼流的次序，則該碼流具有數據加密功能。
3.根據權利要求1所述的基於密鑰控制的復用器設計方法，其特徵是:對解碼端收到的碼流，在解復用時，由與編碼端相同的密鑰產生隨機序列，獲得正確的輸出碼流次序，最後獲得正確解碼碼流。
全文摘要
針對常規Turbo碼編碼器不具備加密功能的問題，發明了一種基於密鑰控制的復用器設計方法，該方法將交織器和復用器相關聯。首先，設交織器長度為N，S為長度為N的自然數序列，採用密鑰Key產生一個N長的自然數的隨機排列S1，即S1＝f(S，Key)，f為隨機函數，然後對S1進行模6運算得到一個密鑰控制的隨機N長6進位序列，最後對編碼碼流的輸出次序進行重排，輸出編碼碼流，獲得加密碼流。解復用時，用相同的密鑰獲得與編碼端相同的隨機N長6進位序列，再用該序列確定碼流的正確輸出次序，最後獲得正確的解碼結果。
文檔編號H03M13/23GK103107816SQ20111036063
公開日2013年5月15日 申請日期2011年11月15日 優先權日2011年11月15日
發明者陳德元, 凃國防 申請人:中國科學院研究生院