基于Turbo碼的聯(lián)合信道安全編碼的比特級譯碼方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及基于Turbo碼的聯(lián)合信道安全編譯碼的比特級譯碼方法，主要涉及可 以降低譯碼計算量和復(fù)雜度的比特級譯碼方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 信息在有噪信道中傳輸，為了保證通信的安全性和可靠性，需要對信息進(jìn)行加密 和信道編碼，防止非法用戶的竊取并保證合法用戶能夠?qū)π畔⑦M(jìn)行有效檢錯和糾錯。在傳 統(tǒng)的通信系統(tǒng)當(dāng)中，加密和信道編碼是兩個相對獨立的工作，直到編碼學(xué)家MeEliece將二 者合二為一，提出了聯(lián)合信道安全編碼（JointChannel-SecurityCoding，JCSC)的概念和 設(shè)計方法。
[0003] 目前，聯(lián)合信道安全編碼主要有三個發(fā)展分支。一是MeEliece提出的公鑰體制 (MSystem)及其改進(jìn)形式，其特點是信道編碼分組長，糾錯能力強(qiáng)，計算量大；二是T.Rao 和K.Nam提出的私鑰加密系統(tǒng)，它采用較為簡單的分組編碼方案，計算量較小。以上兩類方 案有一個共同的特點是都需要比較大的密鑰，因此阻礙了它們在實際通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。 第三類是基于密鑰控制信道編碼器結(jié)構(gòu)的加密方案，由于它使用一個較小的密鑰就可以控 制加密和信道編碼過程，因此吸引了越來越廣泛的關(guān)注和研究。
[0004] 采用Turbo碼實現(xiàn)聯(lián)合信道安全編碼有其特定優(yōu)勢。首先，Turbo碼是一種性能非 常優(yōu)良的信道編碼方案，仿真試驗結(jié)果表明，經(jīng)過18次迭代譯碼，在信噪比Eb / 時，碼率為1 / 2的Turbo碼在加性高斯白噪聲（AdditiveWhiteGaussianNoise，AWGN) 信道上的誤比特率（BiteErrorRate,BER)Pb< 10_5,達(dá)到了近香農(nóng)（Shannon)限的性能； 其次，在實際的應(yīng)用中，為提高帶寬利用率，通常需要使用刪余機(jī)制提高編碼碼率，而Turbo 碼的刪余機(jī)制本身就具有一定的加密效果，并且刪余器可通過密鑰控制。Turbo碼采用迭代 譯碼算法，其主要問題是譯碼復(fù)雜度高，計算量大，延時長。隨著迭代次數(shù)增加，譯碼增益逐 步減低，因此需要通過迭代終止判定準(zhǔn)則終止迭代譯碼過程。研究表明，在一個數(shù)據(jù)幀內(nèi)， 不同的比特收斂速度不同，因此，幀級迭代譯碼終止判定度量無法準(zhǔn)確反映每一個比特的 收斂情況，而針對單個比特收斂性的比特級迭代譯碼判定準(zhǔn)可更加精確地控制迭代過程。
[0005] 本發(fā)明所采用的基于Turbo碼的聯(lián)合信道安全編碼方案通過密鑰控制刪余器生 成加密碼流，刪除比特的數(shù)量由碼率來決定，而刪除位置則由密鑰控制的隨機(jī)序列發(fā)生器 控制。編碼端系統(tǒng)框圖如圖1所示，N長分組信息序列經(jīng)過Turbo碼編碼器，輸出3路N 長碼流，并將其輸入復(fù)用器，輸出長度為3N的碼流，并送入刪余器。刪余器首先確定刪除 比特數(shù)NP，NP取由編碼碼率Rp確定，滿足N/ (3N-NP)=RP，最后得其 中，[?」表示向下取整函數(shù)。密鑰控制隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生集合{1，2，…，3N}的一個隨機(jī) 置換{屯⑴，W⑵，…，W(3N)}，gp/^」~^*F(A:)，k=l，2，...，3N。通過刪除所有滿足 f(k) <Np的第k個編碼比特，生成加密碼流并輸出。
[0006] 經(jīng)過有噪信道傳輸?shù)恼{(diào)制信號到達(dá)信宿端解調(diào)后得到數(shù)字碼流，然后需要在密鑰 的控制下進(jìn)行比特填充，即在刪余的位置填上比特符號0或者1。譯碼系統(tǒng)框圖如圖2所 /_J、i〇
[0007] 為減少不必要迭代運(yùn)算，降低譯碼復(fù)雜度和延時，本發(fā)明針對上述聯(lián)合信道安全 編碼系統(tǒng)采用一種新的比特級迭代譯碼方案，它充分利用加密編碼時的刪除位置信息，進(jìn) 一步篩選需要進(jìn)行后續(xù)迭代的比特，加速比特的收斂，減小譯碼開銷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為提高基于Turbo碼的聯(lián)合信道安全編碼的譯碼效率，本發(fā)明設(shè)計了一種新的比 特級迭代譯碼方法，可以在經(jīng)典的迭代譯碼算法的基礎(chǔ)上減少不必要的計算量，降低譯碼 延時，提高譯碼效率。
[0009] 本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：在譯碼系統(tǒng)中添加了迭代終止判定模 塊和比特篩選模塊，并采用基于窗口的比特級譯碼替代幀級譯碼。首先，設(shè)置寬松的幀級迭 代終止判定門限Sf進(jìn)行幀級譯碼，達(dá)到此門限值時，絕大多數(shù)比特都已經(jīng)收斂，只有少數(shù) 比特未收斂，此時若依然進(jìn)行幀級迭代會造成已收斂比特的不必要計算，因此要針對那些 未收斂的不可靠比特進(jìn)行部分迭代。采取的方法是，嚴(yán)格的比特級迭代終止判定門限Sb 用于判定每個比特的收斂性。注意到，根據(jù)加密刪余算法，碼流中的信息比特有一定的概率 被刪除，實驗研究表明，大多數(shù)被刪除的信息比特若在之前的比特填充階段未被正確填充， 則直至幀級迭代譯碼完成其依然不收斂，從而這些比特的后續(xù)幀級迭代運(yùn)算都沒有必要。 因此，在不可靠比特篩選階段，應(yīng)依據(jù)加密刪余位置信息，將這些被刪余的信息比特從中剔 除，以進(jìn)一步減少要進(jìn)行后續(xù)部分迭代的不可靠比特數(shù)目。
[0010] 針對最終篩選出來的不可靠比特，本發(fā)明采用等步長遞增窗口進(jìn)行部分迭代，即 以不可靠比特為中心，設(shè)置長度為2W+1= (3~4)L+3.Npm的窗口，在窗口內(nèi)進(jìn)行迭代運(yùn)算， 因此也稱之為部分迭代。其中，L為編碼器的約束長度，Npm為部分迭代的次數(shù)。隨著部分 迭代的進(jìn)行，Npm遞增，窗口長度2W+1也隨之增大，從而加速不可靠比特的收斂。
[0011] 有益效果是，本發(fā)明設(shè)計的比特級迭代譯碼方法，針對基于Turbo碼的聯(lián)合信道 安全編碼方案，依據(jù)每個比特的收斂特性對譯碼增益逐步降低階段的未收斂比特，有針對 性的在特定長度窗口內(nèi)進(jìn)行迭代譯碼，避免了對已收斂比特的不必要運(yùn)算，減少了總體迭 代次數(shù)；同時，結(jié)合編碼時的加密刪余位置信息，最大限度地減少了未收斂比特的數(shù)目。
【附圖說明】
[0012] 圖1基于Turbo碼的聯(lián)合信道安全編碼器模型
[0013] 圖中：1.遞歸系統(tǒng)卷積碼，2.交織器，3.隨機(jī)序列發(fā)生器，4.復(fù)接器，5.刪余器。 u為輸入待編碼的長度為N比特的信息序列，Cl為u經(jīng)過編碼模塊1輸出的第一路校驗序 列，u(p)為u經(jīng)過交織模塊2后的輸出，c2為u(p)經(jīng)過編碼模塊1輸出的校驗序列，c為 未經(jīng)刪余的原始編碼碼流，cp為經(jīng)過加密刪余后生成的輸出碼流序列，密鑰為用戶輸入，W 為隨機(jī)序列。
[0014] 圖2基于Turbo碼的聯(lián)合信道安全譯碼器模型
[0015] 圖中：6.解刪余器，7.解復(fù)用器，8.分量碼譯碼器，9.迭代終止判決和不可靠比特 選擇模塊，10.解交織器，11.硬判決器。1^是收到的長度為3N-NP的實數(shù)向量，經(jīng)過解刪余 模塊6后輸出長度為3N的實數(shù)