一種噴泉碼的校驗矩陣構造方法、編解碼方法及裝置製造方法
2024-01-22 02:57:15
一種噴泉碼的校驗矩陣構造方法、編解碼方法及裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種噴泉碼的校驗矩陣構造方法、編解碼方法及裝置。其中噴泉碼的校驗矩陣構造方法，包括：獲取噴泉碼的第一加密校驗參數hi，j，0、第二加密校驗參數hi，j，1和第三加密校驗參數hi，j，2，並構造噴泉碼的加密參數hi，j；將噴泉碼的加密參數hi，j作為加密矩陣P的子矩陣P(hi，j)的置換參數，構建加密矩陣P的子矩陣P(hi，j)；結合加密矩陣P構造所述噴泉碼的校驗矩陣Hm。由於構建加密矩陣P的子矩陣P(hi，j)的置換參數hi，j具有保密特性，所以最終構造的噴泉碼的校驗矩陣Hm也具有加密特性，進而在基於具有加密特性的噴泉碼的校驗矩陣Hm對信道進行編碼時，實現了對信道的加密編碼，提高編碼的安全性。
【專利說明】一種噴泉碼的校驗矩陣構造方法、編解碼方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及編解碼【技術領域】，特別涉及一種具有加密功能的噴泉碼(Fountain碼)的校驗矩陣構造方法、編解碼方法及裝置。
【背景技術】
[0002]隨著網際網路(Internet)技術的飛速發展，有線網絡中數據傳輸的可靠性成為計算機和通信領域的研究熱點。網際網路中普遍使用的TCP/IP (Transmission ControlProtocol/Internet Protocol, TCP/IP)協議通過檢錯重發方式(ARQ)來確保數據傳輸的可靠性。然而，在基於確認和重傳機制的通訊網絡中，發送端在等待接收端發回確認信息時一直處於等待狀態，這大大的增加了網絡數據傳輸的時延。此外，TCP/IP協議的有序序列模式也限制了其在大量數據傳輸過程中的運用。因此，傳統的TCP/IP協議並不適合網際網路中大容量信息的實時傳輸。
[0003]鑑於TCP/IP協議的諸多缺點，研究學者提出了糾刪編碼技術:即發送端把需要傳輸的K個信源信息包通過編碼，整合成N個編碼包，然後通過網絡發送出去。接收端接收到這個N個編碼包中的任意K個編碼包就能使用特定的解碼方法以很高的概率重構這K個信源信息包。糾刪碼技術利用原始數據的線性糾刪碼進行編碼，如果部分數據在傳輸過程中丟失，它可以利用糾刪算法恢復出丟失的數據。
[0004]1997年Luby首次提出了一種適用於網絡環境數據傳輸的糾刪碼，也稱為復損碼(Loss-Resilient Code)。這種碼具有線性時間的編解碼算法，而且能以任意逼近刪除信道容量限的速率進行傳輸。隨後通過對此碼的大量研究，1998年Luby選取復損碼的度分布為Heavy-Tail/Position度分布，從而提出了 Tornado碼。相比於RS碼,Tornado碼的編解碼算法具有與碼長N線性相關的複雜度,但Tornado碼的編碼數據包由表示Tornado碼的二部圖來確定，必須提前確定所要生成的編碼包數目，即Tornado碼碼率固定。
[0005]鑑於Toranado碼都具有碼率固定這一缺陷,所以一種新的糾刪碼-Fountain碼被提出並受到廣泛關注。它具有魯棒性和可靠性，且可以在無反饋信道下以任意的碼率傳輸數據。Fountain碼是由Bayers等於1998年提出的,他們僅僅給出了 Fountain的概念,並沒有提出具體的設計方法。Fountain碼即噴泉碼，它的設計思想來源於水噴泉:水噴泉噴出無數的水滴，我們拿杯子接水，只需要接到足夠量的水來解渴，至於是哪些水滴流入了杯子中我們並不關心。類似的，伺服器可以根據獨立分布規律隨機產生編碼信息包。一個客戶端從一個或者多個伺服器接收編碼包，一旦接收到足夠的編碼包N就可以重構出信源信息，N的數量與信道特性無關。所以Fountain碼碼率不固定，是第一類無碼率糾刪碼。
[0006]Fountain碼具有編解碼算法便於實現，魯棒性和可靠性高，並且可以在無反饋信道下以任意的碼率傳輸數據等優點，被認為是適用於可靠多播傳輸、多源下載、數據存儲和無線協作傳輸等應用方向最有前途的編碼技術。但是為了保障信息的安全性，在對通信內容的編碼的過程中，需要對編碼進行加密保護，以保障信息安全。但是，現有的基於Fountain碼的信道編碼方法，並沒有加密的功能。
【發明內容】
[0007](一 )要解決的技術問題
[0008]本發明所要解決的技術問題是提供一種噴泉碼的校驗矩陣構造方法、編解碼方法及裝置，用以實現對信道的加密編碼。
[0009]( 二 )技術方案
[0010]為達到上述目的，本發明提供了一種噴泉碼的校驗矩陣的構造方法，包括:
[0011]獲取噴泉碼的第一加密校驗參數hi, Μ、第二加密校驗參數hi, Ja和第三加密校驗參數 hi,j,2 ;
[0012]利用所述第一加密校驗參數Iii, μ、第二加密校驗參數Iii, Ja和第三加密校驗參數^jjj2來構造噴泉碼的加密參數比,」；
[0013]將所述噴泉碼的加密參數作為加密矩陣P的子矩陣P (hM)的置換參數，構建加密矩陣P的子矩陣P (hi, P ;以及
[0014]結合所述加密矩陣P構造所述噴泉碼的校驗矩陣Hm。
[0015]上述方案中，所述獲取噴泉碼的第一加密校驗參數Iii, w、第二加密校驗參數Iii, Ja和第三加密校驗參數hy,2，包括:
[0016]根據信道緯度分布，通過漸進的邊線增長PEG算法得到噴泉碼的第一校驗參數
,*根據公式
【權利要求】
1.一種噴泉碼的校驗矩陣的構造方法，其特徵在於，包括：獲取噴泉碼的第一加密校驗參數k w、第二加密校驗參數1^, Ja和第三加密校驗參數 hi, j,2 ;利用所述第一加密校驗參數& w、第二加密校驗參數1^, Ja和第三加密校驗參數k」,2 來構造噴泉碼的加密參數比,」；將所述噴泉碼的加密參數作為加密矩陣P的子矩陣P (h^j)的置換參數，構建加密 矩陣P的子矩陣PO^);以及結合所述加密矩陣P構造所述噴泉碼的校驗矩陣Hm。
2.根據權利要求1所述的噴泉碼的校驗矩陣的構造方法，其特徵在於，所述獲取噴泉 碼的第一加密校驗參數、第二加密校驗參數hi.y和第三加密校驗參數h^2，包括：根據信道緯度分布，通過漸進的邊線增長PEG算法得到噴泉碼的第一校驗參數/<, o ;根0,/;；,,, =-1,得到第二校驗參數」而第三校驗參數p AID0KpKj,2 = o依據公式k = ahj * T +k 0獲取第一加密校驗參數hi, M ;依據公式\,a = P,, * T + iiiSXh之0獲取第二加密校驗參數、M ;依據公式 +獲取第三加密校驗參數比,」,2;其中，a^，I,」和為密碼，T為密碼參數，且r = 7；ntoA-，To為預設倍數，Pk為分解子矩陣P(hu)的子陣邊長P得到的第k個質數，K為質數個數，且子陣邊長p = YlllifJ。
3.根據權利要求1所述的噴泉碼的校驗矩陣的構造方法，其特徵在於，所述利用第一 加密校驗參數、第二加密校驗參數hi,M和第三加密校驗參數h^2來構造噴泉碼的加 密參數、」包括：所述噴泉碼的加密參數比,」=[hijjj0,hijja,hijjj2] (0≤i≤n-1,0≤j≤m_l),其中， n為所述噴泉碼的校驗矩陣H行塊數，m為所述噴泉碼的校驗矩陣的列塊數。
4.根據權利要求1所述的噴泉碼的校驗矩陣的構造方法，其特徵在於，所述將所述噴 泉碼的加密參數作為加密矩陣P的子矩陣P (h^.)的置換參數，構建加密矩陣P的子矩 陣P(hi,」），包括：在所述第一校驗參數時，則將子矩陣P(hM)構建為pXp的全零方陣；在所述 第一校驗參數≤0時，將子矩陣P」）構建為PXp方陣，其中子矩陣P 0^」）的第k 行第1列的元素置換為1，其它位置的元素置換為0,其中1 = (1^, j.d+hi, j.fk+hi, j,2*k2)mod p，if h*ijJj0≤0，k的取值為0≤k≤p-1，p為子矩陣P隊,」）的子陣邊長。
5.根據權利要求1所述的噴泉碼的校驗矩陣的構造方法，其特徵在於，所述結合加密 矩陣P構造所述噴泉碼的校驗矩陣Hm包括：據公式
6.一種基於噴泉碼的信道編碼方法，其特徵在於，包括: 應用權利要求1至5中任意一項所述的噴泉碼的校驗矩陣構造方法構造噴泉碼的校驗矩陣Hm，並獲取所述噴泉碼的校驗矩陣Hm中的子矩陣PQii, P ； 獲取噴泉碼對應的信源X，將信源X依次每P個為一組，分為m個I Xp的子信源矢量 ,子信源矢量
7.根據權利要求6所述的基於噴泉碼的信道編碼方法，其特徵在於，所述依據子信源矢量
8.根據權利要求7所述的基於噴泉碼的信道編碼方法，其特徵在於，所述依據公式
9.一種基於噴泉碼的信道解碼方法，其特徵在於，包括: 應用權利要求1至5中任意一項所述的噴泉碼的校驗矩陣構造方法構造噴泉碼的校驗矩陣Hm ； 獲取所述校驗矩陣Hm中所有子矩陣各自的外信息矢量
10.根據權利要求9所述的基於噴泉碼的信道解碼方法，其特徵在於，所述將子信道信息矢量巧分別與外信息矢量「,進行和積迭代運算包括: 獲取所述噴泉碼的校驗矩陣Hm中子矩陣P Qli, P的置換參數hy，置換參數hy =[、j,。，h^，比,」,2] (O≤i≤n-1,0 ( j ( m_l)，其中，η為所述噴泉碼的校驗矩陣Hm行塊數，m為所述噴泉碼的校驗矩陣的列塊數，Iii, j,0為噴泉碼的第一加密校驗參數、Iii, Ja為噴泉碼的第二加密校驗參數、h^2為噴泉碼的第三加密校驗參數； 分別計算所述噴泉碼的校驗矩陣Hm中每個子矩陣的置換矢量；如果子矩陣為子矩陣P Oii, j)，則依據 I (k) = hi, j.0+hi, j.^k+h,, j,2*k2 生成每個子矩陣 P Oii, j)的置換失量 I (O)，1(1)，……，I (P-1)，其中k為子矩陣P Qii,P的行，k的取值為O < k < P-1，且P為子矩陣POii,」)的子陣邊長；如果子矩陣為I或者]^，則置換矢量I (O)，I (I)，.....，I (p-Ι)依次為O，I，...，P I; 將外信息矢量
11.一種噴穿碼的校驗矩陣構造裝置，其特徵在於，包括: 獲取單元，用於獲取噴泉碼的第一加密校驗參數hy,^、第二加密校驗參數hi,M和第三加密校驗參數11^2 ； 參數構造單元，用於利用所述第一加密校驗參數hy,r第二加密校驗參數Iii,M和第三加密校驗參數h^2來構造噴泉碼的加密參數Iii,」； 子矩陣構建單元，用於將所述噴泉碼的加密參數k j作為加密矩陣P的子矩陣P Oii, j)的置換參數，構建加密矩陣P的子矩陣P Oii, P ； 矩陣構造單元，用於獲取噴泉碼的結構化可逆矩陣D，並結合所述加密矩陣P構造所述噴泉碼的校驗矩陣Hm。
12.根據權利要求11所述的噴泉碼的校驗矩陣構造裝置，其特徵在於，所述獲取單元包括:第一獲取單元、第二獲取單元、第三獲取單元、第四獲取單元和第五獲取單元，其中: 第一獲取單元，用於根據信道緯度分布，通過漸進的邊線增長PEG算法得到噴泉碼的第一校驗參數; 第二獲取單元，用於根據公式
13.根據權利要求11所述的噴泉碼的校驗矩陣構造裝置，其特徵在於，所述參數構造單元構造的所述噴泉碼的加密參數其中，η為所述噴泉碼的校驗矩陣Hm的行塊數，m為所述噴泉碼的校驗矩陣的列塊數。
14.根據權利要求11所述的噴泉碼的校驗矩陣構造裝置，其特徵在於，所述子矩陣構建單元包括:第一構建單元和第二構建單元，其中， 第一構建單元，用於在所述第一校驗參數「〈O，則將子矩陣PQli, j)構建為PXp的全零方陣； 第二構建單元，用於在所述第一校驗參數j,0≤0，將子矩陣P Qli, j)構建為P X P方陣，其中子矩陣PQii, j)的第k行第I列的元素置換為I,其它位置的元素置換為O,其中I=(hi, j,o+hi, ja^k+hi, Jj2*k2)modp, ifh*^ Jj0 ≥ 0, k 的取值為 O ≤ k ≤ p_l, p 為子矩陣 P Qii,j)的子陣邊長。
15.根據權利要求11所述的噴泉碼的校驗矩陣構造裝置，其特徵在於，所述矩陣構造>(\0) H、)…Hd單元具體用於根據醜=1 ^!拼接構造噴泉碼的校驗 JiK-,o) K-U)…7,(/?一)_矩陣Hm，其中子矩陣PO^)為ρΧρ方陣，P為子矩陣POii,P的子陣邊長。
16.一種基於噴泉碼的信道編碼裝置，其特徵在於，包括: 如權利要求11至15中任意一項所述的噴泉碼的校驗矩陣構造裝置，用於構造噴泉碼的校驗矩陣Hm ； 子矩陣獲取單元，用於獲取所述噴泉碼的校驗矩陣Hm中的子矩陣PQii,P ； 信源矢量獲取單元，用於獲取噴泉碼對應的信源X，將信源X依次每P個為一組，分SmflXp的子信源矢量&，子信源矢量^ =......其中所述子信源矢量X1.= [xh(nxj^……對應噴泉碼的校驗矩陣Hm中第j列的所有子矩陣POii, P，所述信源X的信源長度為mXp ；累加矢量獲取單元，用於依據子信源矢量力=[λ-λ0,λ:λ1,......彳獲得累加矢量只.總累加矢量獲取單元，用於將得到的η個累加矢量見合成得出總累加矢量f，得到生成碼字。
17.根據權利要求16所述的基於噴泉碼的信道編碼裝置，其特徵在於，所述累加矢量獲取單元是用於依據公式=21 Tp^M勵們獲得累加矢量丸，包括:置換參數獲取單元，用於獲取所述噴泉碼的校驗矩陣Hm中子矩陣PQii, P的置換參數hi,置換參數比,」=[hi,」,。, hijja, hijJj2] (0≤i≤n-1,0≤j≤m_l),其中，η為所述噴泉碼的校驗矩陣Hm的行塊數，m為所述噴泉碼的校驗矩陣的列塊數，Iii, j,0為噴泉碼的第一加密校驗參數、Iii, M為噴泉碼的第二加密校驗參數、h^2為噴泉碼的第三加密校驗參數；置換量生成單元，用於分別對所述噴泉碼的校驗矩陣^中每個子矩陣P Oii, j)，依據I (k) =、j,。+、jjk+hi,」,2*k2生成每個子矩陣PQii,」)的置換矢量I (O), 1(1),......,I (P-1)，其中k為子矩陣PQli,P的行，k的取值為O≤k≤p-1，且P為子矩陣PQli,P的子陣邊長；信源矢量排列單元，用於將子信源矢量& =……按照[xJrn^ j αφ……，'辦..—J排列得到變換後的子信源矢量^ = k,.鄭)，~,/(,)，……,~(/>—i)j，其中變換後的子信源矢量^為IXp的矢量； 累加單元，用於獲取校驗矩陣Hm第i行的所有m個子矩陣P Qii,P對應的變換後的子信源矢量^，將所有m個變換後的子信源矢量.ζ中的元素進行累加，並將累加結果作為累加矢量只中的元素，其中q的取值為O至P ; 拼接單元，用於將元素yi,C1, Yi,……YiI1拼接構成IXp的累加矢量見=k。，>,,!，……3V 丄
18.一種基於噴泉碼的信道解碼裝置，其特徵在於，包括: 如權利要求11至15中任意一項所述的噴泉碼的校驗矩陣構造裝置，用於構造噴泉碼的校驗矩陣Hm ； 獲取單元，用於獲取所述校驗矩陣Hm中所有子矩陣各自的外信息矢量 =|3、λο，\μ，……，\m]，其中P為所述子矩陣PU的子陣邊長，子陣邊長 P = Π；!為分解子矩陣P (hi, P的子陣邊長P得到的第a個質數，A為質數個數； 信道矢量獲取單元，用於獲取信道信息i/ = [M05M1,......，其中η為所述校驗矩陣Hm的行塊數F力信道信息U的子信道信息矢量，子信道信息矢量U1- ['Ο，氣I，......； 和積迭代運算單元，用於將所述子信道信息矢量g:分別與外信息矢量進行和積迭代運算，並將和積迭代運算結果作為外信息矢量I/，繼續執行將所述子信道信息矢量R分別與外信息矢量「進行和積迭代運算，直至執行預設次數和積迭代運算，將預設次數和積迭代運算結果作為新的外信息矢量^^ ； 解碼單元，用於在對η個所述子信道信息矢量i；完成預設次數的和積迭代運算後，依據公式b =Σ 二.|.元細挖元* wIa進行求和，並將和值vP的符號作為第個列塊的第k個元素的解碼結果，其中O≤j≤m-l，0≤k≤p-1，m為校驗矩陣Hm的列塊數，p為子矩陣P (hi,」)的子陣邊長。
19.根據權利要求18所述的基於噴泉碼的信道解碼裝置，其特徵在於，所述和積迭代運算單元包括: 置換參數獲取單元，用於獲取所述噴泉碼的校驗矩陣Hm中子矩陣PQii, P的置換參數hi,置換參數比,」=[hi,」,。, hijja, hijJj2] (0≤i≤n-1,0≤j≤m_l),其中，η為所述噴泉碼的校驗矩陣Hm的行塊數，m為所述噴泉碼的校驗矩陣的列塊數，Iii, j,0為噴泉碼的第一加密校驗參數、Iii, M為噴泉碼的第二加密校驗參數、h^2為噴泉碼的第三加密校驗參數；置換量生成單元，用於分別計算所述噴泉碼的校驗矩陣Hm中每個子矩陣的置換矢量；如果子矩陣為子矩陣POli, j)，則依據I (k) = hi, j.0+h,, j.^k+h,, j,2*k2生成每個子矩陣P(Kj)的置換失量1(0)，1(1)，.....，I (P-1)，其中k為子矩陣P Qli, P的行，k的取值為P-1，且P為子矩陣P(hM)的子陣邊長；如果子矩陣為I或者]^，則置換矢量I (O)，1(1)，……，I (P-1)依次為0，1，...，P-1 ; 第一排列單元，用於將外信息矢量T =[ν,7.0,ν,.α5……;ν,7.^]按照....，<,# μ j的列順序排列得到第二外信息矢量I ；第一拼接單元，用於依據公式
【文檔編號】H03M13/00GK103546166SQ201310533423
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月31日 優先權日:2013年10月31日
【發明者】管武, 梁利平 申請人:中國科學院微電子研究所