基于隨機(jī)調(diào)制的聯(lián)合信道與安全編譯碼設(shè)計方法
【專利摘要】針對常規(guī)Turbo碼碼流的調(diào)制器不具備加密功能的問題，本發(fā)明基于隨機(jī)調(diào)制的聯(lián)合信道與安全編譯碼設(shè)計方法，設(shè)計了一種基于密鑰控制的調(diào)制加密方法，該方法將交織器和調(diào)制器相關(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(jī)排列d，即d＝f(S，Key)，f為隨機(jī)置換函數(shù)，然后對d進(jìn)行模2運(yùn)算，產(chǎn)生一個N長二進(jìn)制序列b，最后對經(jīng)過復(fù)用后的編碼比特序列c進(jìn)行隨機(jī)調(diào)制，輸出調(diào)制序列cm。解調(diào)時，接收端采用與編碼端相同的Key和隨機(jī)函數(shù)f，產(chǎn)生N長二進(jìn)制序列b，然后解調(diào)輸出正確的比特序列c。
【專利說明】基于隨機(jī)調(diào)制的聯(lián)合信道與安全編譯碼設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及Turbo碼，也稱為并行級聯(lián)卷積碼(Parallel ConcatenatedConvolutional Cade7PCCC)編碼碼流的一種調(diào)制器設(shè)計方法,主要涉及具有碼流糾錯和加密功能的Turbo碼調(diào)制器(Modulator)設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002]為了在有噪信道上進(jìn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(biāo)是利用最少的校驗碼元，獲得較高的可靠性傳輸，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。
[0003]隨著信道編碼理論和計算機(jī)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(xué)者提出了 Turbo碼的編、譯碼方案。它由兩個遞歸系統(tǒng)卷積碼(RecursiveSystem Convolutional Code, RSCC)通過交織器以并行級聯(lián)的方式結(jié)合而成，因此也稱為并行級聯(lián)卷積碼(Parallel Concatenated Convolutional Code,PCCC)。Turbo碼米用迭代算法譯碼，仿真試驗結(jié)果表明，經(jīng)過18次迭代譯碼，在信噪比EbZX ^ 0.7dB時，碼率為1/2的Turbo碼在加性白高斯噪聲(Additive White Gaussian Noise,AWGN)信道上的誤比特率(Bite Error Rate, BER)達(dá)到 Pb < ICT5,達(dá)到了近香農(nóng)(Shannon)限的性能。至此，Turbo碼的提出，將信道編碼技術(shù)推進(jìn)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(biāo)，而是直接與香農(nóng)限相比較。Turbo碼編碼器框圖如圖1所示。
[0004]從編碼器框圖1可以看出，為了得到適合信道傳輸?shù)男盘枺{(diào)制器采用下式對序列進(jìn)行調(diào)制
[0005]cm = 2c-l
[0006]其中c為二進(jìn)制序列，Cm為取值{-1，1}的實數(shù)序列。該發(fā)送序列不具備加密功能，在信道(特別是無線信道)上傳輸容易被泄密。為獲得加密碼流，本發(fā)明基于Turbo碼具有良好糾錯性能的特點(diǎn)，對傳統(tǒng)Turbo碼編碼器輸出碼流的調(diào)制方案進(jìn)行隨機(jī)化處理，如圖2所示，從而可獲得加密碼流。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決經(jīng)典Turbo碼編碼器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(jī)調(diào)制方法。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(jī)調(diào)制器，實現(xiàn)了 Turbo碼編碼器的碼流加密功能。
[0008]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相等隨機(jī)序列，然后進(jìn)行模2運(yùn)算，獲得一個N長二進(jìn)制序列。該二進(jìn)制序列用于控制調(diào)制器的調(diào)制輸出，序列的每一個二進(jìn)制數(shù)用于控制輸入調(diào)制器的3個分量的調(diào)制輸出:該二進(jìn)制數(shù)為O時，與傳統(tǒng)調(diào)制器輸出相同；該二進(jìn)制數(shù)為I時，與傳統(tǒng)調(diào)制器輸出相反。經(jīng)過新設(shè)計的調(diào)制器調(diào)制后，輸出碼流具有加密功能。解調(diào)制時，將接收端信號分割為長度為3分組，采用與調(diào)制時相同的N長二進(jìn)制隨機(jī)序列，序列的每一個二進(jìn)制數(shù)決定每3個信號的正確解調(diào)值。
[0009]有益效果是，本發(fā)明設(shè)計的調(diào)制器，使調(diào)制碼流實現(xiàn)了加密功能，從而將信道調(diào)制器和加密器合并成為一個聯(lián)合信道安全編碼器，降低了分離的信道調(diào)制器和加密器的編碼復(fù)雜度。另一方面，通過密鑰Key為種子產(chǎn)生的N長隨機(jī)序列，該隨機(jī)序列可同時用于交織器和調(diào)制器，從而本發(fā)明并沒有顯著增加發(fā)送端的計算復(fù)雜度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1傳統(tǒng)Turbo碼的編碼器模型
[0011]圖中:1.第一分量遞歸卷積碼編碼器，2.隨機(jī)序列交織器，3.第二分量遞歸卷積碼編碼器，4.多路復(fù)用器，5.調(diào)制器，u為輸入待編碼序列，U1為交織器輸出序列，(^和(32分別為兩個遞歸卷積碼編碼器輸出序列，c為多路復(fù)用器輸出序列，Cm為調(diào)制器輸出序列。
[0012]圖2修改后的Turbo碼編碼器模型
[0013]圖中:Key為輸入密鑰，S為輸入N長自然序列，即S = {1,2,…，N}，6.隨機(jī)置換器，7.模2運(yùn)算器，d為模塊6輸出的十進(jìn)制N長隨機(jī)序列，b為模塊7輸出的二進(jìn)制N長隨機(jī)序列。
[0014]圖3調(diào)制器工作實例圖
[0015]圖中:100 100 111為輸入調(diào)制器的待調(diào)制序列c，101為由Key產(chǎn)生的二進(jìn)制隨機(jī)序列b，-111 1-1-1 -1-1-1為調(diào)制后的輸出序列cm。
[0016]圖4解調(diào)器工 作實例圖
[0017]圖中:-111 1-1-1 -1-1-1為輸入解調(diào)器的待解調(diào)序列(VlOl為由Key產(chǎn)生的二進(jìn)制隨機(jī)序列b，100100111為解調(diào)后的輸出序列C。
【具體實施方式】
[0018]本發(fā)明的調(diào)制器設(shè)計方法，主要分為編碼碼流的調(diào)制和接收碼流的解調(diào)，實現(xiàn)碼流的加密、解密功能。
[0019]1.調(diào)制器設(shè)計方法
[0020]分析Turbo碼編碼器的碼流可知:如果調(diào)制器輸出的碼流是隨機(jī)的，在輸出碼流被截獲的情況下，竊聽者也不能獲得正確的解調(diào)輸出，從而實現(xiàn)了編碼碼流的保密性。本發(fā)明的調(diào)制器用于圖2的Turbo碼編碼系統(tǒng)，調(diào)制器由隨機(jī)序列發(fā)生器和判決器組成，其輸入為編碼序列，輸出為經(jīng)過調(diào)制之后的調(diào)制序列。本發(fā)明設(shè)計的調(diào)制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(jìn)行闡述。
[0021]首先對輸入序列u進(jìn)行編碼。在圖2中，設(shè)交織器長度為N，將序列u進(jìn)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)過第一分量遞歸卷積碼編碼模塊I的輸出Cl。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作為第二分量遞歸卷積碼模塊3的輸入，輸出編碼碼流為C20多路復(fù)用器模塊4將3路N長序列U、C1和C2復(fù)合為一個3N長碼流，輸出編碼碼流C。在本發(fā)明的設(shè)計方案中，隨機(jī)交織器模塊2的隨機(jī)排序由用戶輸入的密鑰Key為初值，通過隨機(jī)置換產(chǎn)生，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。
[0022]其次，將碼流c分割為3比特一組，共計N組，以及N長二進(jìn)制序列輸入調(diào)制器模塊5，其實現(xiàn)框圖如圖2的模塊5所示。調(diào)制方式如下:
[0023]a)若控制調(diào)制輸出的二進(jìn)制數(shù)為0，則調(diào)制輸出為cm = 2c-l ；
[0024]b)若控制調(diào)制輸出的二進(jìn)制數(shù)為I，則調(diào)制輸出為Cni = l_2c。設(shè)控制調(diào)制的二進(jìn)制數(shù)為b，輸入的待調(diào)制二進(jìn)制數(shù)為C，調(diào)制輸出實數(shù)為cm，則上述兩種情況可以合并為Cm =(2c-l) (l-2b)。經(jīng)過該調(diào)制器輸出的調(diào)制序列Cm具有加密功能。
[0025]例如，設(shè)N= 3，多路復(fù)用器模塊5輸出的碼流c為:100 100 111，傳統(tǒng)調(diào)制出輸出為:1-1-1 1-1-1 111。設(shè)密鑰Key確定的二進(jìn)制隨機(jī)序列為101，根據(jù)設(shè)計的調(diào)制方案，該調(diào)制器的輸出為:-111 1-1-1 -1-1-1。調(diào)制器工作實例示意圖如圖3所示。
[0026]2.碼流解調(diào)方法設(shè)計
[0027]在通信系統(tǒng)的接收端收到信號后，經(jīng)過下面四個步驟進(jìn)行解調(diào):首先，對收到信號進(jìn)行量化，獲得實數(shù)數(shù)字信號；其次，使用與編碼端相同的密鑰，產(chǎn)生一個N長二進(jìn)制隨機(jī)序列；再次，將數(shù)字碼流進(jìn)行長度為3的分組，共計N組；最后，根據(jù)控制調(diào)制的二進(jìn)制序列的數(shù)值，解調(diào)出正確二進(jìn)制編碼序列。解調(diào)器工作實例示意圖如圖4所示。
[0028]例如，設(shè)N = 3，接收器將接收信號量化為實數(shù)序列-111 1-1-1 _1_1_1，采用與調(diào)制端相同的密鑰，產(chǎn)生二進(jìn)制序列101。根據(jù)設(shè)計的調(diào)制方案，可以獲得正確的解調(diào)序列100 100 111。如果沒有密鑰，按照常規(guī)方法解調(diào)，輸出錯誤解調(diào)序列為011 100 000，這樣竊聽者無法通過Turbo碼解碼器重建正確信息。
【權(quán)利要求】
1.一種基于密鑰控制隨機(jī)調(diào)制的安全Turbo設(shè)計方法，其特征是數(shù)據(jù)經(jīng)過Turbo編碼器編碼后，利用調(diào)制器隨機(jī)調(diào)制功能實現(xiàn)碼流的加密功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于密鑰控制的調(diào)制設(shè)計方法，其特征是:調(diào)制器與交織器相關(guān)，采用密鑰產(chǎn)生一個長度為N的隨機(jī)序列的交織器，對該隨機(jī)序列進(jìn)行模2運(yùn)算，得到一個N長二進(jìn)制序列，將該序列用于控制調(diào)制器輸出，獲得加密碼流。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于密鑰控制的調(diào)制設(shè)計方法，其特征是:對解碼端收到的碼流，在解調(diào)時，由與編碼端相同的密鑰產(chǎn)生隨機(jī)序列，然后進(jìn)行模2運(yùn)算，獲得N長二進(jìn)制序列，然后根據(jù)該序列輸出解調(diào)估計序列。
【文檔編號】H04L9/06GK103475462SQ201210184514
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2012年6月7日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月7日
【發(fā)明者】陳德元, 凃國防, 吳偉仁 申請人:中國科學(xué)院研究生院