CN104980172A - 基于Turbo码的联合信道安全编码的比特级译码方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于Turbo码的联合信道安全编码的比特级译码方法，针对经典的Turbo码迭代译码算法计算量大、延时长的问题，设计了一种基于信息比特收敛性判别和编码加密删余位置信息的比特级译码算法。该方法首先采用宽松的帧级迭代终止判定门限δ_f进行完整的帧级迭代译码，使大部分比特收敛；然后依据比特级迭代门限δ_b判定每个比特的收敛性，并结合加密删余信息，剔除经过后续迭代也不趋于收敛的被删余信息位，得到未收敛的不可靠比特。最后对这些不可靠比特进行部分迭代译码，即以不可靠比特为中心，开一个窗口，在窗口内进行迭代运算，并随着部分迭代的进行逐步增大窗口长度，以加速比特收敛。

Description

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

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

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Mc Eliece将二者合二为一，提出了联合信道安全编码(Joint Channel-Security Coding，JCSC)的概念和设计方法。

目前，联合信道安全编码主要有三个发展分支。一是Mc Eliece提出的公钥体制(M System)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。

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(Bite Error Rate，BER)P_b≤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。

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N_p，N_p取由编码码率R_p确定，满足N／(3N-N_p)=R_p，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{Ψ(1)，Ψ(2)，…，Ψ(3N)}，即k=1，2，…，3N。通过删除所有满足f(k)≤N_p的第k个编码比特，生成加密码流并输出。

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所示。

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

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。

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δ_f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δ_b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。

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.N_par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，N_par为部分迭代的次数。随着部分迭代的进行，N_par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。

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

图1基于Turbo码的联合信道安全编码器模型

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，c₁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，c_p为经过加密删余后生成的输出码流序列，密钥为用户输入，Ψ为随机序列。

图2基于Turbo码的联合信道安全译码器模型

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。r_p是收到的长度为3N-N_p的实数向量，经过解删余模块6后输出长度为3N的实数向量r，r经过解复用模块输出三个长度都为N的实数向量：y_s、y₁和y₂，L_e1和L_e2(p)为分量码译码模块8产生的外信息，L_e2b(p)为L_e2(p)经过迭代终止判决和不可靠比特选择模块9后的输出，L_e2为L_e2b(p)经过解交织模块10的输出，L_c(p)分量码译码模块8输出的信道可靠性度量，L(p)为加法器输出的对数似然比，为L(p)经过解交织模块10的输出，为硬判决模块11输出的译码信息。

图3部分迭代窗口(前后两个窗口不重叠)

图中：W为部分迭代窗口半径，u_k和u_l为两个相邻的不可靠比特，且以它们为中心的两个窗口不重叠。

图4部分迭代窗口(前后两个窗口重叠)

图中：ov为迭代窗口重叠长度。

具体实施方式

本发明实施针对基于Turbo码的联合信道安全编译码，设计了一种比特级迭代译码方案，减少译码中的不必要迭代运算，降低译码开销，提高译码效率。本发明技术方案主要分为帧级完整迭代译码和未收敛的不可靠比特的筛选环节，以及针对不可靠比特所采用的基于窗口的部分迭代译码环节。其中，译码算法采用经典的Log-MAP算法，迭代终止判定准则采用两个分量译码器输出外信息的互熵准则(Cross Entropy，CE)。

为使本发明实施的目的、流程和优点更加清楚，下面将结合说明书附图，对本发明实施例的技术方案进行清晰完整的描述。

1.帧级完整迭代译码与不可靠比特筛选

首先，长为N比特的信息序列u经过图1所示的联合信道安全编码器进行编码，生成加密码流序列c_p，经调制后送入有噪信道中进行传输，到达信宿后，通过图2所示的联合信道安全译码器通过Log-MAP译码算法进行译码。

计算整个数据帧第i次迭代终止判定度量值

$T_{\mathrm{frame}}^{\left(i\right)}=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{CE}}^{\left(i\right)}\left(u_k\right)=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{|L_{e,2}^{\left(i\right)}\left(u_k\right)-L_{e,1}^{(i-1)}\left(u_k\right)|}^2}{\exp \left(\right|{\mathrm{LLR}}_1^{\left(i\right)}\left(u_k\right)\left|\right)}$

帧级迭代译码终止判定门限δ_f的通常取值为一旦满足则说明该数据帧内大部分比特已经收敛，只有少数比特仍未收敛。

通过比特级的迭代终止判定门限δ_b和加密删余位置信息来筛选出不可靠比特。对于CE准则，取δ_b=δ_f／N，注意到，对于每个比特的迭代终止度量值若满足则整个数据帧的帧级度量值就会满足反之则不然。此外，由于在加密删余阶段，删除的信息位即使经过后续迭代，仍可能不收敛，从而无需对它们进行后续的迭代运算。所以，同时满足和Ψ(k)＞N_p两个条件的比特需要进行后续部分迭代。

2.基于等步长递增窗口的部分迭代译码

得到不可靠比特之后就要针对这些不可靠比特依次进行部分迭代。在进行窗口迭代时，窗口长度选择较为关键，原则是不能太长，太长增加了计算复杂度；也不能太短，太短则不能保证收敛性。以不可靠比特u_k为中心，建立一个长度为2W+1=(3～4)L+3·N_par的窗口，其中L为编码器约束长度，N_par为部分迭代次数。可见，随着迭代的进行，窗口的长度也随之逐步增大，以加速不可靠比特的收敛。

在窗口内应用Log-MAP译码算法，首先要对窗口边界比特的前向递推值后向递推值进行初始化。此时，分为以下两种情况。一是以前后两个不可靠比特u_k和u_l为中心的两个窗口不重叠，如图3所示，两个窗口之间没有交集。那么，窗口边界比特的前向递推值和后项递推值就由上一次迭代过程中的相应值来初始化，即 二是前后两个不可靠比特u_k和u_l为中心的两个窗口重叠，如图4所示。这时，由于前一个窗口在迭代运算完成之后，窗口重叠部分的前向递推值和后向递推值就已经被更新过了，下一个窗口在进行迭代运算时就不能用上次迭代过程中的值来初始化，而应用本次迭代最新更新过的值来初始化，即 ${\mathrm{\α}}_{l-W-1}^{\left(i\right)}\left(s^{\′}\right)={\mathrm{\α}}_{k+W-\mathrm{ov}}^{\left(i\right)}\left(s^{\′}\right),{\mathrm{\β}}_{k+W}^{\left(i\right)}\left(s^{\′}\right)={\mathrm{\β}}_{l-W-1+\mathrm{ov}}^{\left(i\right)}\left(s^{\′}\right),$ 其中ov为重叠窗口的长度。在完成边界比特的初始化之后，就可以在窗口内应用Log-MAP译码算法来对窗口内的比特进行迭代译码，译码完成后通过迭代终止判决和不可靠比特选择模块决定是否需要继续迭代，直至所有的比特都满足比特级译码门限，译码完成。

Claims (3)

1.一种基于Turbo码的联合信道安全编码的比特级译码方法，其特征是基于信息比特的收敛性判别和加密删余位置信息，在迭代译码增益显著降低的阶段，不再对整个数据帧进行迭代运算，而是有针对性地对未收敛的不可靠比特进行部分迭代，从而避免已收敛比特的不必要迭代运算，继而减少总体的迭代次数和译码开销。

2.根据权利要求1所述的基于Turbo码的联合信道安全编码的比特级译码方法，其特征是：首先以较为宽松的帧级迭代终止判定门限δ_f进行数据帧的完整迭代以使大部分比特收敛；然后判别每个比特的收敛性，依据比特级的门限值δ_b得到未收敛的不可靠比特，并结合加密删余位置信息，剔除上述不可靠比特中删余的信息比特，得到最终要进行比特级译码的不可靠比特并进行后续的部分迭代。

3.根据权利要求1所述的基于Turbo码的联合信道安全编码的比特级译码方法，其特征是：在对不可靠比特进行比特级译码时，采用等步长递增窗口算法，即以不可靠比特为中心，开一个长度为2W+1=(3～4)L+3·N_par的窗口，在窗口内进行迭代运算。其中，L为编码器的约束长度，N_par为部分迭代的次数。随着部分迭代的进行，N_par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。