專利名稱：一種用于深空通信協(xié)議編碼的均勻隨機(jī)數(shù)生成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于深空通信協(xié)議編碼的均勻隨機(jī)數(shù)生成方法，屬于深空通信及通信信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著美國(guó)“勇氣號(hào)”，“好奇號(hào)”探測(cè)器登陸火星，深空探測(cè)已經(jīng)開(kāi)始悄然變?yōu)楹教炜萍佳芯康闹攸c(diǎn)。深空通信傳輸協(xié)議中有很多編碼，包括物理層的RS碼，傳輸層/應(yīng)用層的噴泉碼等等，這些碼字在編碼過(guò)程中的共同點(diǎn)是都需要隨機(jī)數(shù)生成器。例如，在噴泉碼中，產(chǎn)生度分布時(shí)需要魯棒孤波分布的隨機(jī)數(shù)生成器，以產(chǎn)生編碼輸出所需要的最佳度分布。在生成度以后還需要一個(gè)均勻隨機(jī)數(shù)生成器來(lái)確定相應(yīng)的輸入編碼包。可見(jiàn)，在深空通信協(xié)議中，隨機(jī)數(shù)生成器是很重要、很基本的功能單元。任何一種隨機(jī)數(shù)生成器都是由均勻分布的隨機(jī)數(shù)生成器演變而來(lái)的，所以設(shè)計(jì)一種性能良好的均勻分布隨機(jī)數(shù)生成器是非常關(guān)鍵的。
由于深空通信信道的特殊性，以及編碼的特殊性，對(duì)隨機(jī)數(shù)生成器的要求較高。由于深空傳輸?shù)难舆t較長(zhǎng)，為了克服信道特性，發(fā)送的冗余較大，對(duì)信道編碼的依賴較大，所以對(duì)隨機(jī)數(shù)的要求較高。產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)性能好，最終編碼性能就好，也就能更好的克服深空信道的特性。但是，目前隨機(jī)數(shù)生成方法的性能還不能完美的達(dá)到協(xié)議實(shí)現(xiàn)的要求。
隨機(jī)數(shù)生成器分為兩大類，一類是真隨機(jī)數(shù)生成器，一類是偽隨機(jī)數(shù)生成器。真隨機(jī)數(shù)生成器產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)，是最理想的情況。真隨機(jī)數(shù)生成器主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一種方式是采用用一定的方法使觸發(fā)器產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)，進(jìn)而產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)；另一種方法是放大硬件電路中的隨機(jī)噪聲，并設(shè)置一個(gè)閾值進(jìn)行判決，進(jìn)而產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)。但是，上述產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)的方法只能硬件實(shí)現(xiàn)，不能夠仿真，并且產(chǎn)生速率只有幾百kbit/s，產(chǎn)生速率不能達(dá)到深空通信中編碼的要求。
偽隨機(jī)數(shù)的生成方法較多，最基本的方法是采用移位寄存器。偽隨機(jī)數(shù)一般存在以下缺點(diǎn)，一是偽隨機(jī)數(shù)是有周期的，不是真正的隨機(jī)數(shù)；二是一般的偽隨機(jī)數(shù)生成器位寬不夠；三是經(jīng)過(guò)改進(jìn)的隨機(jī)數(shù)生成器對(duì)FPGA資源利用不充分，產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)的隨機(jī)性能不能達(dá)到系統(tǒng)要求。
2009年谷曉忱在《計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)》雜志上發(fā)表的“多輸出外部反饋性LFSR均勻分布隨機(jī)數(shù)生成器的分析與設(shè)計(jì)”中提出了一種改進(jìn)的隨機(jī)數(shù)生成方法一 “多輸出外部反饋LFSR”。該方法解決了輸出位寬不夠的問(wèn)題，但是這種改進(jìn)后的方法產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)仍然是有周期限制的，并且生成矩陣太多稀疏，相關(guān)性較強(qiáng)，從而使最終產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)的性能并不是最佳的。
FPGA是一種可編程的硬件實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，由于FPGA的資源有限，所以對(duì)FPGA資源的充分利用是隨機(jī)數(shù)生成器設(shè)計(jì)的指標(biāo)之一。Xilinx公司Virtex5系列FPGA的基本邏輯結(jié)構(gòu)是6輸入查找表(Look-Up-Table)，簡(jiǎn)寫(xiě)為6-LUT。當(dāng)不使用6-LUT的所有輸入時(shí)，仍然會(huì)占用整個(gè)LUT資源，造成資源浪費(fèi)?！岸噍敵鐾獠糠答丩FSR”方法設(shè)計(jì)的生成矩陣最終只能利用LUT中的2-3個(gè)輸入，其余輸入沒(méi)有得到充分利用，導(dǎo)致FPGA的資源不能得到充分利用?？梢?jiàn)，在深空通信協(xié)議的編碼過(guò)程中亟需一種位寬可配，隨機(jī)性能良好的真隨機(jī)數(shù)生成器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于減少深空通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)的硬件資源，提高隨機(jī)數(shù)生成器的隨機(jī)性能，提出一種用于深空通信協(xié)議編碼的均勻隨機(jī)數(shù)生成方法，該方法是一種隨機(jī)性能好、產(chǎn)生速度快且沒(méi)有周期限制的真隨機(jī)數(shù)生成方法。本發(fā)明設(shè)計(jì)k*k維偽隨機(jī)數(shù)生成矩陣，使產(chǎn)生的偽隨機(jī)數(shù)達(dá)到最大的周期，提高隨機(jī)數(shù)的隨機(jī)性能，生成的隨機(jī)數(shù)位寬為k，滿足深空通信系統(tǒng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)時(shí)位寬可變的要求。并產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)作為偽隨機(jī)數(shù)生成器的種子，從而得到不受周期限制的真隨機(jī)數(shù)。通過(guò)本發(fā)明的均勻隨機(jī)數(shù)生成方法，得到速率為f、隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生范圍為(0，M-1)的真隨機(jī)序列。其具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:步驟一，確定隨機(jī)數(shù)要求的位寬k:k=I Og2M其中，(M-1)為系統(tǒng)要求生成的隨機(jī)數(shù)范圍上限。步驟二，設(shè)計(jì)k*k維轉(zhuǎn)移矩陣A作為偽隨機(jī)數(shù)生成矩陣。矩陣第I行到第k行中“I”的個(gè)數(shù)分別為In1, m2，…，mk,矩陣第I列到第k列中“ I”的個(gè)數(shù)分別為叫，!^...，!!,。對(duì)于具有6個(gè)輸入端口 LUT的FPGA硬件電路，2彡Hii彡4，2彡Iii彡4。Hii, Iii的值越大，對(duì)LUT資源的利用越充分，生成的隨機(jī)數(shù)性能越好，但同時(shí)增加矩陣設(shè)計(jì)的難度。矩陣的具體設(shè)計(jì)步驟如下，步驟2.1,隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)k*k維矩陣,其中X列的Iii等于(a_l),其余k-χ列的Iii等于 a, i=l, 2,..., k ；X初始為0，a初始為4。步驟2.2，計(jì)算步驟2.1生成的矩陣中每行“I”的個(gè)數(shù)，若有X行的Hii等于(a_l)，其余k-x行的Hii等于a，則執(zhí)行步驟2.3 ;若不滿足條件，則令x=x+l返回執(zhí)行步驟2.1至步驟2.2。步驟2.3，計(jì)算步驟2.2得到的多個(gè)k*k維轉(zhuǎn)移矩陣的特征多項(xiàng)式，在滿足特征多項(xiàng)式為本原多項(xiàng)式的矩陣中，選取相關(guān)性最弱(每行、每列、對(duì)角線上連續(xù)為I的個(gè)數(shù)最少)的矩陣作為偽隨機(jī)數(shù)生成矩陣；若均不是本原多項(xiàng)式，則執(zhí)行步驟2.4。步驟2.4,判斷X是否等于k,若X不等于k,則將x加I,返回執(zhí)行步驟2.1至步驟
2.3 ;若x=k則執(zhí)行步驟2.5。步驟2.5,若a不等于3,令a=a_l, x=0,重新執(zhí)行步驟2.1至步驟2.4，直到找到滿足條件的偽隨機(jī)數(shù)生成矩陣。步驟三，設(shè)計(jì)k位真隨機(jī)數(shù)生成器。本發(fā)明采用“觸發(fā)器亞穩(wěn)態(tài)”方法搭建k位真隨機(jī)數(shù)生成器。所搭建的k位真隨機(jī)數(shù)生成器的觸發(fā)器的采集時(shí)鐘為
權(quán)利要求
1.一種用于深空通信協(xié)議編碼的均勻隨機(jī)數(shù)生成方法，其特征在于:得到的真隨機(jī)序列速率為f、產(chǎn)生范圍為(O, M-1);具體包括如下步驟: 步驟一，確定隨機(jī)數(shù)要求的位寬k: k=I Og2M ； 步驟二，設(shè)計(jì)k*k維轉(zhuǎn)移矩陣A作為偽隨機(jī)數(shù)生成矩陣； 矩陣第I行到第k行中“I”的個(gè)數(shù)分別為...，mk，矩陣第I列到第k列中“I”的個(gè)數(shù)分別為n” n2,..., nk ； 矩陣的具體設(shè)計(jì)步驟如下， 步驟2.1，隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)k*k維矩陣，其中X列的Iii等于(a-Ι)，其余k-x列的Iii等于Bj i_l, 2,..., k ； X初始為O, a初始為4 ； 步驟2.2，計(jì)算步驟2.1生成的矩陣中每行“I”的個(gè)數(shù)，若有X行的Hii等于(a-Ι)，其余k-x行的Hii等于a，則執(zhí)行步驟2.3 ;若不滿足條件，則令x=x+l，返回執(zhí)行步驟2.1至步驟2.2 ； 步驟2.3，計(jì)算步驟2.2得到 的多個(gè)k*k維轉(zhuǎn)移矩陣的特征多項(xiàng)式，在滿足特征多項(xiàng)式為本原多項(xiàng)式的矩陣中，選取相關(guān)性最弱的矩陣作為偽隨機(jī)數(shù)生成矩陣；若均不是本原多項(xiàng)式，則執(zhí)行步驟2.4 ； 步驟2.4，判斷X是否等于k，若X不等于k，則將X加I，返回執(zhí)行步驟2.1至步驟2.3 ；若x=k則執(zhí)行步驟2.5 ； 步驟2.5,若a不等于3,令a=a-l, x=0,重新執(zhí)行步驟2.1至步驟2.4，直到找到滿足條件的偽隨機(jī)數(shù)生成矩陣； 步驟三，設(shè)計(jì)k位真隨機(jī)數(shù)生成器； 步驟四，令步驟三設(shè)計(jì)得到的k位真隨機(jī)數(shù)生成器產(chǎn)生k位真隨機(jī)數(shù)； 步驟五，設(shè)計(jì)k位偽隨機(jī)數(shù)生成器，采用步驟二得到的偽隨機(jī)數(shù)生成矩陣； 步驟六，將步驟四得到的k位真隨機(jī)數(shù)作為初始種子，輸入步驟五得到的k位偽隨機(jī)數(shù)生成器，生成第一個(gè)周期的k位隨機(jī)數(shù)，作為系統(tǒng)輸出；同時(shí)將該系統(tǒng)輸出再次輸入步驟五所設(shè)計(jì)得到的k位偽隨機(jī)數(shù)生成器，得到下一周期的k位隨機(jī)數(shù)； 步驟七，按照步驟六所述方法用上一周期的輸出生成下一周期的k位偽隨機(jī)數(shù)，其中，當(dāng)?shù)趇.2k(i > I)個(gè)周期時(shí)，重復(fù)步驟六到步驟七。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于深空通信協(xié)議編碼的均勻隨機(jī)數(shù)生成方法，其特征在于:對(duì)于具有6個(gè)輸入端口 LUT的FPGA硬件電路，2彡Hii彡4，2彡Iii彡4。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于深空通信協(xié)議編碼的均勻隨機(jī)數(shù)生成方法，其特征在于:所述相關(guān)性最弱的矩陣的選取原則為每行、每列、對(duì)角線上連續(xù)為I的個(gè)數(shù)最少。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于深空通信協(xié)議編碼的均勻隨機(jī)數(shù)生成方法，其特征在于:采用“觸發(fā)器亞穩(wěn)態(tài)”方法搭建k位真隨機(jī)數(shù)生成器，所搭建的k位真隨機(jī)數(shù)生成器的觸發(fā)器的采集時(shí)鐘為;； 2-1
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于深空通信協(xié)議編碼的均勻隨機(jī)數(shù)生成方法，其特征在于:所述步驟五采用k個(gè)D觸發(fā)器生成k位偽隨機(jī)數(shù)生成器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于深空通信協(xié)議編碼的均勻隨機(jī)數(shù)生成方法，屬于深空通信及通信信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明設(shè)計(jì)k*k維偽隨機(jī)數(shù)生成矩陣，使產(chǎn)生的偽隨機(jī)數(shù)達(dá)到最大的周期，提高隨機(jī)數(shù)的隨機(jī)性能，生成的隨機(jī)數(shù)位寬為k，滿足深空通信系統(tǒng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)時(shí)位寬可變的要求。并產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)作為偽隨機(jī)數(shù)生成器的種子，從而得到不受周期限制的真隨機(jī)數(shù)，使隨機(jī)數(shù)的輸出隨機(jī)特性比較好。
文檔編號(hào)G06F7/58GK103197912SQ20131009241
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月21日
發(fā)明者安建平, 楊雷, 翟輝, 卜祥元, 崔健 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)