基于随机调制的联合信道与安全编译码设计方法
【专利摘要】针对常规Turbo码码流的调制器不具备加密功能的问题，本发明基于随机调制的联合信道与安全编译码设计方法，设计了一种基于密钥控制的调制加密方法，该方法将交织器和调制器相关联。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d，即d＝f(S，Key)，f为随机置换函数，然后对d进行模2运算，产生一个N长二进制序列b，最后对经过复用后的编码比特序列c进行随机调制，输出调制序列cm。解调时，接收端采用与编码端相同的Key和随机函数f，产生N长二进制序列b，然后解调输出正确的比特序列c。
【专利说明】基于随机调制的联合信道与安全编译码设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及Turbo码，也称为并行级联卷积码(Parallel ConcatenatedConvolutional Cade7PCCC)编码码流的一种调制器设计方法,主要涉及具有码流纠错和加密功能的Turbo码调制器(Modulator)设计方法。
【背景技术】
[0002]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(Channel Coding)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，获得较高的可靠性传输，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。
[0003]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。它由两个递归系统卷积码(RecursiveSystem Convolutional Code, RSCC)通过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码米用迭代算法译码，仿真试验结果表明，经过18次迭代译码，在信噪比EbZX ^ 0.7dB时，码率为1/2的Turbo码在加性白高斯噪声(Additive White Gaussian Noise,AWGN)信道上的误比特率(Bite Error Rate, BER)达到 Pb < ICT5,达到了近香农(Shannon)限的性能。至此，Turbo码的提出，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。Turbo码编码器框图如图1所示。
[0004]从编码器框图1可以看出，为了得到适合信道传输的信号，调制器采用下式对序列进行调制
[0005]cm = 2c-l
[0006]其中c为二进制序列，Cm为取值{-1，1}的实数序列。该发送序列不具备加密功能，在信道(特别是无线信道)上传输容易被泄密。为获得加密码流，本发明基于Turbo码具有良好纠错性能的特点，对传统Turbo码编码器输出码流的调制方案进行随机化处理，如图2所示，从而可获得加密码流。
【发明内容】
[0007]为了解决经典Turbo码编码器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调制方法。该方法设计了一种与Turbo码编码器的交织器(Interleaver)等长的随机调制器，实现了 Turbo码编码器的码流加密功能。
[0008]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相等随机序列，然后进行模2运算，获得一个N长二进制序列。该二进制序列用于控制调制器的调制输出，序列的每一个二进制数用于控制输入调制器的3个分量的调制输出:该二进制数为O时，与传统调制器输出相同；该二进制数为I时，与传统调制器输出相反。经过新设计的调制器调制后，输出码流具有加密功能。解调制时，将接收端信号分割为长度为3分组，采用与调制时相同的N长二进制随机序列，序列的每一个二进制数决定每3个信号的正确解调值。
[0009]有益效果是，本发明设计的调制器，使调制码流实现了加密功能，从而将信道调制器和加密器合并成为一个联合信道安全编码器，降低了分离的信道调制器和加密器的编码复杂度。另一方面，通过密钥Key为种子产生的N长随机序列，该随机序列可同时用于交织器和调制器，从而本发明并没有显著增加发送端的计算复杂度。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1传统Turbo码的编码器模型
[0011]图中:1.第一分量递归卷积码编码器，2.随机序列交织器，3.第二分量递归卷积码编码器，4.多路复用器，5.调制器，u为输入待编码序列，U1为交织器输出序列，(^和(32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，Cm为调制器输出序列。
[0012]图2修改后的Turbo码编码器模型
[0013]图中:Key为输入密钥，S为输入N长自然序列，即S = {1,2,…，N}，6.随机置换器，7.模2运算器，d为模块6输出的十进制N长随机序列，b为模块7输出的二进制N长随机序列。
[0014]图3调制器工作实例图
[0015]图中:100 100 111为输入调制器的待调制序列c，101为由Key产生的二进制随机序列b，-111 1-1-1 -1-1-1为调制后的输出序列cm。
[0016]图4解调器工 作实例图
[0017]图中:-111 1-1-1 -1-1-1为输入解调器的待解调序列(VlOl为由Key产生的二进制随机序列b，100100111为解调后的输出序列C。
【具体实施方式】
[0018]本发明的调制器设计方法，主要分为编码码流的调制和接收码流的解调，实现码流的加密、解密功能。
[0019]1.调制器设计方法
[0020]分析Turbo码编码器的码流可知:如果调制器输出的码流是随机的，在输出码流被截获的情况下，窃听者也不能获得正确的解调输出，从而实现了编码码流的保密性。本发明的调制器用于图2的Turbo码编码系统，调制器由随机序列发生器和判决器组成，其输入为编码序列，输出为经过调制之后的调制序列。本发明设计的调制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。
[0021]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经过第一分量递归卷积码编码模块I的输出Cl。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u1，将U1作为第二分量递归卷积码模块3的输入，输出编码码流为C20多路复用器模块4将3路N长序列U、C1和C2复合为一个3N长码流，输出编码码流C。在本发明的设计方案中，随机交织器模块2的随机排序由用户输入的密钥Key为初值，通过随机置换产生，模块I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。
[0022]其次，将码流c分割为3比特一组，共计N组，以及N长二进制序列输入调制器模块5，其实现框图如图2的模块5所示。调制方式如下:
[0023]a)若控制调制输出的二进制数为0，则调制输出为cm = 2c-l ；
[0024]b)若控制调制输出的二进制数为I，则调制输出为Cni = l_2c。设控制调制的二进制数为b，输入的待调制二进制数为C，调制输出实数为cm，则上述两种情况可以合并为Cm =(2c-l) (l-2b)。经过该调制器输出的调制序列Cm具有加密功能。
[0025]例如，设N= 3，多路复用器模块5输出的码流c为:100 100 111，传统调制出输出为:1-1-1 1-1-1 111。设密钥Key确定的二进制随机序列为101，根据设计的调制方案，该调制器的输出为:-111 1-1-1 -1-1-1。调制器工作实例示意图如图3所示。
[0026]2.码流解调方法设计
[0027]在通信系统的接收端收到信号后，经过下面四个步骤进行解调:首先，对收到信号进行量化，获得实数数字信号；其次，使用与编码端相同的密钥，产生一个N长二进制随机序列；再次，将数字码流进行长度为3的分组，共计N组；最后，根据控制调制的二进制序列的数值，解调出正确二进制编码序列。解调器工作实例示意图如图4所示。
[0028]例如，设N = 3，接收器将接收信号量化为实数序列-111 1-1-1 _1_1_1，采用与调制端相同的密钥，产生二进制序列101。根据设计的调制方案，可以获得正确的解调序列100 100 111。如果没有密钥，按照常规方法解调，输出错误解调序列为011 100 000，这样窃听者无法通过Turbo码解码器重建正确信息。
【权利要求】
1.一种基于密钥控制随机调制的安全Turbo设计方法，其特征是数据经过Turbo编码器编码后，利用调制器随机调制功能实现码流的加密功能。
2.根据权利要求1所述的基于密钥控制的调制设计方法，其特征是:调制器与交织器相关，采用密钥产生一个长度为N的随机序列的交织器，对该随机序列进行模2运算，得到一个N长二进制序列，将该序列用于控制调制器输出，获得加密码流。
3.根据权利要求1所述的基于密钥控制的调制设计方法，其特征是:对解码端收到的码流，在解调时，由与编码端相同的密钥产生随机序列，然后进行模2运算，获得N长二进制序列，然后根据该序列输出解调估计序列。
【文档编号】H04L9/06GK103475462SQ201210184514
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2012年6月7日 优先权日:2012年6月7日
【发明者】陈德元, 凃国防, 吴伟仁 申请人:中国科学院研究生院