CN103107816A - 联合信道安全编码中的Turbo码复用器设计方法 - Google Patents

Abstract

针对常规Turbo码编码器不具备加密功能的问题，发明了一种基于密钥控制的复用器设计方法，该方法将交织器和复用器相关联。首先，设交织器长度为N，S为长度为N的自然数序列，采用密钥Key产生一个N长的自然数的随机排列S₁，即S₁＝f(S，Key)，f为随机函数，然后对S₁进行模6运算得到一个密钥控制的随机N长6进制序列，最后对编码码流的输出次序进行重排，输出编码码流，获得加密码流。解复用时，用相同的密钥获得与编码端相同的随机N长6进制序列，再用该序列确定码流的正确输出次序，最后获得正确的解码结果。

Description

联合信道安全编码中的Turbo码复用器设计方法

技术领域

本发明涉及Turbo码，也称为并行级联卷积码(Parallel Concatenated Convolutional Code，PCCC)的一种编译码器设计方法，主要涉及具有加密功能的编码码流的复用器(Complexor)设计方法。

背景技术

为了在有噪信道上进行可靠传输，需要克服信道中的噪声和干扰。信道编码(ChannelCoding)或称前向纠错编码(Forward Error Correction，FEC)，根据一定的准则在待发送的信息码元中加入必要的校验码元，接收端利用校验码元与信息码元之间的编码准则，检测和纠正差错，提高信息码元传输的可靠性。研究信道编码的目标是利用最少的校验码元，提高信道传输的可靠性，即在保证传输可靠性的前提下，尽量提高编码效率。常用的信道编码方案主要包括：Hamming码、线性分组码、卷积码、BCH码、RS码等。

随着信道编码理论和计算机硬件技术的发展，在1993年召开的国际通信会议上，C.Berrou等学者提出了Turbo码的编、译码方案。它由2个(或l个)递归系统卷积码(Recursive SystemConvolutional Code，RSCC)通过1个(或l-1个)交织器以并行级联的方式结合而成，因此也称为并行级联卷积码(Parallel Concatenated Convolutional Code，PCCC)。Turbo码采用迭代算法译码，仿真试验结果表明，经过18次迭代译码，在信噪比E_b/N₀≥0.7dB时，码率为1/2的Turbo码在加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise，AWGN)信道上的误比特率(BiteError Rate，BER)P_b≤10^-8，达到了近香农(Shannon)限的性能。至此，Turbo的研究将信道编码技术推进到了一个新的高度：使其后的信道编码性能不再以互相比较为目标，而是直接与香农限相比较。2个分量的Turbo编码器框图如图1所示。

从编码器框图1可以看出，Turbo码编码器首先对输入比特流u进行编码，获得3个码流u、c₁和c₂，为了复用成为1个码流，编码器引入了复用器(Complexor)。复用器按照一定的次序将3个码流复用成为1个码流，传统复用器一般采用u、c₁和c₂的顺序进行复用，从而该码流不具备加密功能。

为使编码码流具有加密功能，降低编码系统复杂度，本发明对Turbo码编码器进行改进，对复用器的输出次序采用密钥控制，接收端在密钥未知的情况下，不能获得正确的码流次序，从而使修改后的编码器输出的码流具有加密功能，改进后的编码器框图如图2所示。

发明内容

为了解决经典Turbo码编码器中复用器设计简单，编码码流不具备加密功能的问题，本发明设计了一种基于密钥控制的随机复用方法。该方法设计了一种与Turbo码编码器的交织器(Interleaver)等长的随机复用器，实现了Turbo码编码器的码流加密功能。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：采用密钥Key为种子，产生一个与交织器长度N相等的随机序列。由于输入的3路数据流u、c₁和c₂总计有6种不同的排列方式，即：0)uc₁c₂；1)uc₂c₁；2)c₂uc₁；3)c₂c₁u；4)c₁uc₂；5)c₁c₂u。故本发明由该随机序列进行模6(mod6)运算，产生一个长度为N的6进制随机序列，即该序列中的元素取自集合{0，1，2，3，4，5}。将3路数据流u、c₁和c₂输入复用器，复用器根据N长6进制随机序列决定输出次序，其对应关系为：i对应第i种输出次序，i＝0，1，2，3，4，5。解复用时，用与发送端相同的密钥产生相同的N长6进制随机序列，根据该序列输出正确的码流次序，最后进行信道译码。

有益效果是，本发明设计的复用器，使编码码流具有加密功能，从而将信道编码器和加密器合并成为一个联合信道安全编码器，降低了分离的信道编码器和加密器的编码及译码复杂度。另一方面，通过密钥Key为种子产生的N长随机序列，该随机序列同时用于交织器和复用器，从而本发明并没有显著增加编译码器的复杂度。

附图说明

图1传统Turbo码的编码器模型

图中：1.第一分量卷积码编码器，2.随机序列交织器，3.第二分量卷积码编码器，4.复用器，u为输入待编码序列，u^I为交织器输出序列，c₁和c₂分别为两个递归卷积码编码器输出序列，c为多路复用器输出序列。

图2修改后的Turbo码编码器模型

图中：Key为输入密钥。

图3复用器模型，是图2中的模块4的具体实现

图中：5.随机序列发生器，6.模6运算器，7.次序判决器，Key为输入密钥，c_i为N长随机序列，c₆为N长6进制随机序列，u，c₁，c₂为输入码流，c为多路复用器输出序列。

具体实施方式

本发明的复用器设计方法，主要分为编码码流的复用和解复用，实现码流的加密功能。

1.复用器设计方法

分析Turbo码编码器的码流可知：一方面，为了使信道能够传输编码码流，需要将3个码流复用成为1个码流；另一方面，如果所输出的码流次序是随机的，在输出码流被截获的情况下，窃听者不能获得正确的编码码流，从而实现了编码码流的保密性。本发明的复用器用于图2的Turbo码编码系统，复用器由用户控制密钥Key、随机序列发生器、模6运算器和次序判决器组成，其输入为3个编码序列，输出为经过随机复用之后的编码序列，详细结构如图3所示。本发明设计的复用器的具体实施方案如下，以修改后的Turbo码编码器(图2)为例进行阐述。

首先对输入序列u进行编码。在图2中，设交织器长度为N，将序列u进行N长分组，通过下面的编码方案得到3路输出：第一路输出为待编码序列u。第二路输出：输入序列u经过第一分量卷积码编码模块1的输出c₁。第三路输出：输入序列u经过交织器模块2，重新排序后输出u^I，将u^I作为第二分量卷积码模块3的输入，输出编码码流为c₂。

其次，将用户控制的密钥Key输入随机序列发生器模块5，产生1个N长随机序列c_i，将该序列输入模6运算模块6，产生1个N长6进制随机序列c₆。

最后，将3路编码码流u、c₁、c₂和N长6进制随机序列c₆输入次序判决器模块7，模块7根据6进制随机序列c₆决定码流的输出次序，合并为1个码流输出c。在本发明的设计方案中，随机交织器模块2的随机排序可以采用随机序列发生器的输出随机序列c_i，模块1和模块3的分量卷积码编码器采用相同的递归系统卷积码编码器。

例如，设N＝5，u＝10011，c₁＝01100，c₂＝10010，c₆＝30154，则改进前Turbo编码器(图1)的输出为c＝101 010 010 101 100。采用本发明设计的复用器模块4后，改进的Turbo编码器(图2)输出的编码序列为：由于c₆＝30154，输出次序为：c₂c₁u，uc₁c₂，uc₂c₁，c₁c₂u，c₁uc₂，从而输出码流为c＝101 010 001 011 010。

2.码流解复用方法设计

在通信系统的接收端收到经过调制的码流后，经过下面四个步骤进行解复用：首先，对码流进行解调，获得数字码流信号；其次，将数字码流进行3N长分组，每组再细分为长度为3的N个小组；再次，使用与编码端相同的密钥，产生一个N长6进制随机序列；最后，根据6进制随机序列的值，恢复每个小组的正确次序，即可恢复正确次序的3N长序列。

例如，设N＝5，c₆＝30154，接收端收到序列为c＝101 010 001 011 010。由c₆＝30154可知，发送端的码流次序为：c₂c₁u，uc₁c₂，uc₂c₁，c₁c₂u，c₁uc₂，这样就可以根据需要调整码流次序，使输出次序均为uc₁c₂。通过正确的次序交换，最后得解复用的输出为：101 010 010 101 100，即可获得了正确的编码码流输出，即u＝10011，c₁＝01100，c₂＝10010，从而可以进行正确译码。

Claims (3)

1.一种基于密钥控制的Turbo复用器设计方法，其特征是数据经过Turbo编码器编码后，利用复用器的复用功能实现编码码流的复用和加密功能。

2.根据权利要求1所述的基于密钥控制的复用器设计方法，其特征是：复用器与交织器相关，采用密钥产生一个长度为N的随机序列的交织器，再由该随机交织器产生一个N长6进制随机序列，根据该6进制随机序列确定复用器输出码流的次序，则该码流具有数据加密功能。

3.根据权利要求1所述的基于密钥控制的复用器设计方法，其特征是：对解码端收到的码流，在解复用时，由与编码端相同的密钥产生随机序列，获得正确的输出码流次序，最后获得正确解码码流。

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