專利名稱：聯(lián)合信道安全編碼中的Turbo碼復用器設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及Turbo碼，也稱為并行級聯(lián)卷積碼(Parallel ConcatenatedConvolutional Code7PCCC)的一種編譯碼器設(shè)計方法,主要涉及具有加密功能的編碼碼流的復用器(Complexor)設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
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干擾。信道編碼(Channel Coding)或稱前向糾錯編碼(Forward Error Correction, FEC),根據(jù)一定的準則在待發(fā)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?shù)目煽啃?。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?shù)目煽啃?，即在保證傳輸可靠性的前提下，盡量提高編碼效率。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件技術(shù)的發(fā)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、譯碼方案。它由2個(或I個)遞歸系統(tǒng)卷積碼(Recursive System Convolutional Code, RSCC)通過 I 個(或 1-1 個)交織器以并行級聯(lián)的方式結(jié)合而成，因此也稱為并行級聯(lián)卷積碼(Parallel Concatenated ConvolutionalCode, PCCC)。Turbo碼采用迭代算法譯碼，仿真試驗結(jié)果表明，經(jīng)過18次迭代譯碼，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(nóng)(Shannon)限的性能。至此,Turbo的研究將信道編碼技術(shù)推進到了一個新的高度:使其后的信道編碼性能不再以互相比較為目標，而是直接與香農(nóng)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?qū)?個碼流復用成為I個碼流，傳統(tǒng)復用器一般采用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(tǒng)復雜度，本發(fā)明對Turbo碼編碼器進行改進，對復用器的輸出次序采用密鑰控制，接收端在密鑰未知的情況下，不能獲得正確的碼流次序，從而使修改后的編碼器輸出的碼流具有加密功能，改進后的編碼器框圖如圖2所示。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決經(jīng)典Turbo碼編碼器中復用器設(shè)計簡單，編碼碼流不具備加密功能的問題，本發(fā)明設(shè)計了一種基于密鑰控制的隨機復用方法。該方法設(shè)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(xiàn)了 Turbo碼編碼器的碼流加密功能。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:采用密鑰Key為種子，產(chǎn)生一個與交織器長度N相等的隨機序列。由于輸入的3路數(shù)據(jù)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(fā)明由該隨機序列進行模6 (mod6)運算，產(chǎn)生一個長度為N的6進制隨機序列，即該序列中的元素取自集合{0，1，2，3，4，5}。將3路數(shù)據(jù)流u、Cl和C2輸入復用器，復用器根據(jù)N長6進制隨機序列決定輸出次序，其對應(yīng)關(guān)系為:i對應(yīng)第i種輸出次序，i = 0，1，2，3，4，5。解復用時，用與發(fā)送端相同的密鑰產(chǎn)生相同的N長6進制隨機序列，根據(jù)該序列輸出正確的碼流次序，最后進行信道譯碼。有益效果是，本發(fā)明設(shè)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并成為一個聯(lián)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譯碼復雜度。另一方面，通過密鑰Key為種子產(chǎn)生的N長隨機序列，該隨機序列同時用于交織器和復用器，從而本發(fā)明并沒有顯著增加編譯碼器的復雜度。


圖1傳統(tǒng)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修改后的 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(xiàn)圖中:5.隨機序列發(fā)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進制隨機序列，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(fā)明的復用器設(shè)計方法，主要分為編碼碼流的復用和解復用，實現(xiàn)碼流的加密功能。1.復用器設(shè)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(xiàn)了編碼碼流的保密性。本發(fā)明的復用器用于圖2的Turbo碼編碼系統(tǒng)，復用器由用戶控制密鑰Key、隨機序列發(fā)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(jīng)過隨機復用之后的編碼序列，詳細結(jié)構(gòu)如圖3所示。本發(fā)明設(shè)計的復用器的具體實施方案如下，以修改后的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(shè)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(jīng)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(jīng)過交織器模塊2，重新排序后輸出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(fā)生器模塊5，產(chǎn)生I個N長隨機序列Ci,將該序列輸入模6運算模塊6，產(chǎn)生I個N長6進制隨機序列c6。最后，將3路編碼碼流U、Cl、C2和N長6進制隨機序列C6輸入次序判決器模塊7，模塊7根據(jù)6進制隨機序列C6決定碼流的輸出次序，合并為I個碼流輸出C。在本發(fā)明的設(shè)計方案中，隨機交織器模塊2的隨機排序可以采用隨機序列發(fā)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采用相同的遞歸系統(tǒng)卷積碼編碼器。例如，設(shè)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。采用本發(fā)明設(shè)計的復用器模塊4后，改進的Turbo編碼器(圖2)輸出的編碼序列為:由于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(shè)計在通信系統(tǒng)的接收端收到經(jīng)過調(diào)制的碼流后，經(jīng)過下面四個步驟進行解復用:首先，對碼流進行解調(diào)，獲得數(shù)字碼流信號；其次，將數(shù)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(chǎn)生一個N長6進制隨機序列；最后，根據(jù)6進制隨機序列的值，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(shè)N = 5，C6 = 30154，接收端收到序列為 c = 101 010 001 011 010。由 C6=30154可知，發(fā)送端的碼流次序為-C2C1U, UC1C2, UC2C1, C1C2U, C1UC2,這樣就可以根據(jù)需要調(diào)整碼流次序，使輸出次序均為UC1C2。通過正確的次序交換，最后得解復用的輸出為:101010 010 101 100，即可獲得了正確的編碼碼流輸出，即U = IOOlLc1 = 01100，C2 = 10010，從而可以進行正確譯碼。
權(quán)利要求
1.一種基于密鑰控制的Turbo復用器設(shè)計方法，其特征是數(shù)據(jù)經(jīng)過Turbo編碼器編碼后，利用復用器的復用功能實現(xiàn)編碼碼流的復用和加密功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于密鑰控制的復用器設(shè)計方法，其特征是:復用器與交織器相關(guān)，采用密鑰產(chǎn)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(chǎn)生一個N長6進制隨機序列，根據(jù)該6進制隨機序列確定復用器輸出碼流的次序，則該碼流具有數(shù)據(jù)加密功能。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于密鑰控制的復用器設(shè)計方法，其特征是: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(chǎn)生隨機序列，獲得正確的輸出碼流次序，最后獲得正確解碼碼流。
全文摘要
針對常規(guī)Turbo碼編碼器不具備加密功能的問題，發(fā)明了一種基于密鑰控制的復用器設(shè)計方法，該方法將交織器和復用器相關(guān)聯(lián)。首先，設(shè)交織器長度為N，S為長度為N的自然數(shù)序列，采用密鑰Key產(chǎn)生一個N長的自然數(shù)的隨機排列S1，即S1＝f(S，Key)，f為隨機函數(shù)，然后對S1進行模6運算得到一個密鑰控制的隨機N長6進制序列，最后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進制序列，再用該序列確定碼流的正確輸出次序，最后獲得正確的解碼結(jié)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(yōu)先權(quán)日2011年11月15日
發(fā)明者陳德元, 凃國防 申請人:中國科學院研究生院