CN103929278A - 一种基于交织器伪随机码的构造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于交织器伪随机码的构造方法，它将纠错码理论中的交织器技术与伪随机码构造方法有效结合起来，根据交织器技术，构造较大的伪随机码候选集，该方法克服了现有伪随机构造方法的码长灵活性差、码组数量受限、构造过程计算复杂度较高的问题。

Description

一种基于交织器伪随机码的构造方法
技术领域
本发明涉及一种基于交织器伪随机码的构造方法，属于数字通信中伪随机码构造技术领域。
背景技术
扩频通信技术以其用户容量大、抗干扰和抗截获能力强、时间测量精度高的优势，广泛应用于移动通信、军事通信和卫星导航系统，在扩频通信中伪随机码是实现频谱扩展的必要条件。扩频通信对伪随机码的要求包括：灵活可变的码长，适应于不同的信息速率、码片速率；更多数量的扩频码，以支持更多的用户共用带宽；良好的码平衡性，以降低载波泄露和提高抗干扰能力；尖锐的自相关峰，以提高抗多径性能；更低的互相关性，以降低不同用户之间的互干扰。伪随机码设计的方向就是尽量接近上述目标。
伪随机码构造是伪随机码设计中的第一步，其目的在于构造一个较大规模的伪随机码候选集合，后续优选工作将从中选择一部分性能符合要求的码字作为码设计结果，因此构造方法对于伪随机码的性能有很大的影响，不同的构造方法在复杂度上也有很大差异。目前，常用的伪随机码构造方法包括：移位寄存器方法、数论方法、随机码方法、混沌序列方法等。移位寄存器方法是应用最广泛的构造方法，使用移位寄存器构造的伪随机码包括m序列、M序列、Gold序列、Kasami序列等，广泛应用于移动通信和卫星导航，一种典型的基于移位寄存器的伪随机码构造方法如图1所示，移位寄存器方法的不足在于伪随机码码长受到生成多项式周期限制，二者不匹配时相关性能有一定程度下降。数论方法是以数论问题构造伪随机码，其代表是GPSL1C信号的Weil码(IS-GPS-800A，2010年)，其数学基础是数论中的二次剩余问题，Weil码具有良好的相关性能，但依赖素数p构造，当需要的码长与素数p差距较大时伪随机码性能较差。随机码是欧洲伽利略系统设计团队提出的一种伪随机码构造方法(USPatent2008/0246655A1)，其关键技术是遗传算法对码的继承和变异，由于计算复杂度过大只适合构造中等长度(例如4092比特)的伪随机码。混沌序列方式是以混沌序列的二值判决序列构造伪随机码(USPatent2010/0054225A1)，但是混沌序列的生成计算复杂度较大，同时受到计算机浮点误差的影响。因此，计算复杂度低、码长灵活可变、码相关性能好的伪随机码构造方法具有重要的研究意义和应用价值。
交织器是纠错编码理论中的一种技术措施，主要应用于改善突发错误信道模型下的通信性能，通过对数据的交织和解交织可以将连续的突发错误转化为分散的随机错误。由于交织器在以Turbo码为代表的纠错编码中的重要作用，对于交织器的设计和理论分析已经取得很多成果(刘东华，Turbo码设计与应用，电子工业出版社，2011年)，典型的交织器包括分组交织器、循环移位交织器、分组螺旋交织器、二次算术交织器、伪随机交织器、编码匹配交织器、黄金分割交织器等。在物理意义上交织器是将规则的连续错误进行随机化的一对一映射变换。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有伪随机码构造方法的码长灵活性差、码组数量受限、构造过程计算复杂度较高的问题，提出一种基于交织器伪随机码的构造方法。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种基于交织器伪随机码的构造方法，所述的伪随机码码长为L比特，伪随机码集合包含M个伪随机码，L和M为自然数，其特征包括如下步骤：
步骤1，按照0、1个数平衡的原则构造伪随机码的生成种子PRN0；
其中，L为伪随机码的码长；
步骤2，交织生成第1个伪随机码；
以生成种子PRN0、交织器序列S作为输入参数，按照如下规则交织生成第1个伪随机码PRN1:
PRN1＝F(PRN0,S)＝PRN0(S(k)),1≤k≤L
步骤3，循环迭代构造其余的伪随机码；
以步骤2交织生成第1个伪随机码PRN1作为下一次伪随机码的生成种子，多次循环迭代，产生新的伪随机码PRNi+1，当迭代次数达到M-1次时终止迭代；
PRNi+1＝F(PRNi,S),1≤i＜M-1
其中PRNi为第i个输出的伪随机码；
完成基于交织器伪随机码的构造。
其中，步骤1中的所述的0、1个数平衡的原则具体为：当L为偶数时0、1个数相等，当L为奇数时0、1个数差不超过1。
其中，步骤2中交织器序列S可以使用固定的同一序列，也可以使用不同的序列。
本发明与现有技术相比所取得的有益效果为：
本发明提出的一种基于交织器的伪随机码构造方法，适合构造任意长度的伪随机码，伪随机码数量不受限制，伪随机码具有0、1个数差不超过1的完美平衡性，构造过程只包含整数运算且计算复杂度极低。
附图说明
图1为一种基于移位寄存器的伪随机码构造示意图；
图2为本发明的基于交织器的伪随机码构造流程图；
图3为具体实施方式中10比特序列交织的实例图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图1-3和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。在本具体实施方式中，将使用美国GPS系统现代化公开服务信号的伪随机码参数为实例描述。
GPS系统现代化公开服务包括L5、L2C、L1C三个不同服务类型的信号，其中L5信号伪随机码采用类似Gold序列构造，码长10230比特，L2C信号伪随机码采用截断m序列构造，L2CM码长10230比特，L2CL码长767250比特，L1C信号采用数论方法构造，码长10230比特，因此选择码长10230比特作为目标码长，即构造参数为L＝10230，N＝74，M＝8000。
为了描述算法的需要，进一步缩小问题的规模，选择L＝10，M＝6作为输入条件，问题规模缩小的并不影响本实例的示范过程，基于交织器的伪随机码构造流程如图2所示。
一种基于交织器伪随机码的构造方法，所述的伪随机码码长为L比特，伪随机码集合包含M个伪随机码，L和M为自然数，其特征包括如下步骤：
步骤1，按照0、1个数平衡的原则构造伪随机码的生成种子PRN0；所述的0、1个数平衡的原则具体为：当L为偶数时0、1个数相等，当L为奇数时0、1个数差不超过1。
其中，L为伪随机码的码长。设L＝10，M＝6时PRN0包含0、1各5个。
PRN0＝[0101010101]
步骤2，交织生成第1个伪随机码；
以生成种子PRN0、交织器序列S作为输入参数，其中，交织序列S＝[71910654382]。按照如下规则交织生成第1个伪随机码PRN1，交织器的实现过程如图3所示。
PRN1＝F(PRN0,S)＝PRN0(S(k)),1≤k≤L
步骤3，循环迭代构造其余的伪随机码；
以步骤2交织生成第1个伪随机码PRN1作为下一次伪随机码的生成种子，循环迭代，产生新的伪随机码PRNi+1，当迭代次数达到5次时终止迭代；
PRNi+1＝F(PRNi,S),1≤i＜5
其中PRNi为第i次迭代输出的伪随机码，最终得到的6个伪随机码如下表所示。
表1迭代交织产生的6个伪随机码
序号 伪随机序列
1 0001101011
2 1011011000
3 1100101100
4 1100010011
5 0111100001
6 0001011101
至此，使用交织器构造伪随机码的过程结束。
为具体分析基于交织器的伪随机码构造方法的优势，以GPS现代化公开服务信号参数作为输入即L＝10230，生成M＝8000个伪随机码，从中优选74个作为结果，其中交织器S采用长度10230的固定伪随机交织器，以01平衡性、自相关特性、互相关特性作为性能测度比较，结果如表2所示，可以看出新方法构造的伪随机码性能优于L5方案，可以用于中国北斗导航系统的扩频码。构造过程在DELLOPTIPLEX755计算机上运行时间为19.57秒，计算机配置为：IntelCore22.4GHz处理器，4GB内存，Matlab2009a软件平台。
表2伪随机码性能比较
性能测度 GPSL5扩频码 新构造的扩频码
数量 74 74
最大偶自相关旁瓣 362 362
最大奇自相关旁瓣 464 362
最大偶互相关峰 492 482
最大奇互相关峰 554 482
本发明方法并不限定于卫星导航系统的伪随机码构造，而是适用于任意使用二进制序列作为扩频序列的扩频通信、测量系统伪随机码构造。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于交织器伪随机码的构造方法，所述的伪随机码码长为L比特，伪随机码集合包含M个伪随机码，L和M为自然数，其特征包括如下步骤：
步骤1，按照0、1个数平衡的原则构造伪随机码的生成种子PRN0；
其中，L为伪随机码的码长；
步骤2，交织生成第1个伪随机码；
以生成种子PRN0、交织器序列S作为输入参数，按照如下规则交织生成第1个伪随机码PRN1:
PRN1＝F(PRN0,S)＝PRN0(S(k)),1≤k≤L
步骤3，循环迭代构造其余的伪随机码；
以步骤2交织生成第1个伪随机码PRN1作为下一次伪随机码的生成种子，多次循环迭代，产生新的伪随机码PRNi+1，当迭代次数达到M-1次时终止迭代；
PRNi+1＝F(PRNi,S),1≤i＜M-1
其中PRNi为第i个输出的伪随机码；
完成基于交织器伪随机码的构造。
2.根据权利要求1所述的一种基于交织器伪随机码的构造方法，其特征在于：步骤1中的所述的0、1个数平衡的原则具体为：当L为偶数时0、1个数相等，当L为奇数时0、1个数差不超过1。
3.根据权利要求1所述的一种基于交织器伪随机码的构造方法，其特征在于：步骤2中交织器序列S可以使用固定的同一序列，也可以使用不同的序列。
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