基于Turbo码的联合信道安全编码的比特级译码方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及基于Turbo码的联合信道安全编译码的比特级译码方法，主要涉及可 以降低译码计算量和复杂度的比特级译码方法。
【背景技术】
[0002] 信息在有噪信道中传输，为了保证通信的安全性和可靠性，需要对信息进行加密 和信道编码，防止非法用户的窃取并保证合法用户能够对信息进行有效检错和纠错。在传 统的通信系统当中，加密和信道编码是两个相对独立的工作，直到编码学家MeEliece将二 者合二为一，提出了联合信道安全编码（JointChannel-SecurityCoding，JCSC)的概念和 设计方法。
[0003] 目前，联合信道安全编码主要有三个发展分支。一是MeEliece提出的公钥体制 (MSystem)及其改进形式，其特点是信道编码分组长，纠错能力强，计算量大；二是T.Rao 和K.Nam提出的私钥加密系统，它采用较为简单的分组编码方案，计算量较小。以上两类方 案有一个共同的特点是都需要比较大的密钥，因此阻碍了它们在实际通信系统中的应用。 第三类是基于密钥控制信道编码器结构的加密方案，由于它使用一个较小的密钥就可以控 制加密和信道编码过程，因此吸引了越来越广泛的关注和研究。
[0004] 采用Turbo码实现联合信道安全编码有其特定优势。首先，Turbo码是一种性能非 常优良的信道编码方案，仿真试验结果表明，经过18次迭代译码，在信噪比Eb / 时，码率为1 / 2的Turbo码在加性高斯白噪声（AdditiveWhiteGaussianNoise，AWGN) 信道上的误比特率（BiteErrorRate,BER)Pb< 10_5,达到了近香农（Shannon)限的性能； 其次，在实际的应用中，为提高带宽利用率，通常需要使用删余机制提高编码码率，而Turbo 码的删余机制本身就具有一定的加密效果，并且删余器可通过密钥控制。Turbo码采用迭代 译码算法，其主要问题是译码复杂度高，计算量大，延时长。随着迭代次数增加，译码增益逐 步减低，因此需要通过迭代终止判定准则终止迭代译码过程。研究表明，在一个数据帧内， 不同的比特收敛速度不同，因此，帧级迭代译码终止判定度量无法准确反映每一个比特的 收敛情况，而针对单个比特收敛性的比特级迭代译码判定准可更加精确地控制迭代过程。
[0005] 本发明所采用的基于Turbo码的联合信道安全编码方案通过密钥控制删余器生 成加密码流，删除比特的数量由码率来决定，而删除位置则由密钥控制的随机序列发生器 控制。编码端系统框图如图1所示，N长分组信息序列经过Turbo码编码器，输出3路N 长码流，并将其输入复用器，输出长度为3N的码流，并送入删余器。删余器首先确定删除 比特数NP，NP取由编码码率Rp确定，满足N/ (3N-NP)=RP，最后得其 中，[?」表示向下取整函数。密钥控制随机序列发生器产生集合{1，2，…，3N}的一个随机 置换{屯⑴，W⑵，…，W(3N)}，gp/^」~^*F(A:)，k=l，2，...，3N。通过删除所有满足 f(k) <Np的第k个编码比特，生成加密码流并输出。
[0006] 经过有噪信道传输的调制信号到达信宿端解调后得到数字码流，然后需要在密钥 的控制下进行比特填充，即在删余的位置填上比特符号0或者1。译码系统框图如图2所 /_J、i〇
[0007] 为减少不必要迭代运算，降低译码复杂度和延时，本发明针对上述联合信道安全 编码系统采用一种新的比特级迭代译码方案，它充分利用加密编码时的删除位置信息，进 一步筛选需要进行后续迭代的比特，加速比特的收敛，减小译码开销。
【发明内容】
[0008] 为提高基于Turbo码的联合信道安全编码的译码效率，本发明设计了一种新的比 特级迭代译码方法，可以在经典的迭代译码算法的基础上减少不必要的计算量，降低译码 延时，提高译码效率。
[0009] 本发明解决技术问题所采用的技术方案是：在译码系统中添加了迭代终止判定模 块和比特筛选模块，并采用基于窗口的比特级译码替代帧级译码。首先，设置宽松的帧级迭 代终止判定门限Sf进行帧级译码，达到此门限值时，绝大多数比特都已经收敛，只有少数 比特未收敛，此时若依然进行帧级迭代会造成已收敛比特的不必要计算，因此要针对那些 未收敛的不可靠比特进行部分迭代。采取的方法是，严格的比特级迭代终止判定门限Sb 用于判定每个比特的收敛性。注意到，根据加密删余算法，码流中的信息比特有一定的概率 被删除，实验研究表明，大多数被删除的信息比特若在之前的比特填充阶段未被正确填充， 则直至帧级迭代译码完成其依然不收敛，从而这些比特的后续帧级迭代运算都没有必要。 因此，在不可靠比特筛选阶段，应依据加密删余位置信息，将这些被删余的信息比特从中剔 除，以进一步减少要进行后续部分迭代的不可靠比特数目。
[0010] 针对最终筛选出来的不可靠比特，本发明采用等步长递增窗口进行部分迭代，即 以不可靠比特为中心，设置长度为2W+1= (3~4)L+3.Npm的窗口，在窗口内进行迭代运算， 因此也称之为部分迭代。其中，L为编码器的约束长度，Npm为部分迭代的次数。随着部分 迭代的进行，Npm递增，窗口长度2W+1也随之增大，从而加速不可靠比特的收敛。
[0011] 有益效果是，本发明设计的比特级迭代译码方法，针对基于Turbo码的联合信道 安全编码方案，依据每个比特的收敛特性对译码增益逐步降低阶段的未收敛比特，有针对 性的在特定长度窗口内进行迭代译码，避免了对已收敛比特的不必要运算，减少了总体迭 代次数；同时，结合编码时的加密删余位置信息，最大限度地减少了未收敛比特的数目。
【附图说明】
[0012] 图1基于Turbo码的联合信道安全编码器模型
[0013] 图中：1.递归系统卷积码，2.交织器，3.随机序列发生器，4.复接器，5.删余器。 u为输入待编码的长度为N比特的信息序列，Cl为u经过编码模块1输出的第一路校验序 列，u(p)为u经过交织模块2后的输出，c2为u(p)经过编码模块1输出的校验序列，c为 未经删余的原始编码码流，cp为经过加密删余后生成的输出码流序列，密钥为用户输入，W 为随机序列。
[0014] 图2基于Turbo码的联合信道安全译码器模型
[0015] 图中：6.解删余器，7.解复用器，8.分量码译码器，9.迭代终止判决和不可靠比特 选择模块，10.解交织器，11.硬判决器。1^是收到的长度为3N-NP的实数向量，经过解删余 模块6后输出长度为3N的实数