適用于中繼協(xié)作通信的聯(lián)合保密抗噪聲編碼：協(xié)作系統(tǒng)的構(gòu)造,高效編碼設(shè)計和系統(tǒng)性能研究.pdf

1、近年來無線通信系統(tǒng)的安全性和可靠性為世界各國研究人員和工程師所注目。無線傳輸由于其特有的信道傳播特性所面臨諸多嚴峻的挑戰(zhàn)（如各種惡意入侵和無線信道中的散射、衍射、反射等各種信道缺陷）使得它成為一個非常復(fù)雜的通信系統(tǒng)。
　　解決上述問題的第一個合理方案就是在無線傳輸系統(tǒng)中的發(fā)射端采用所謂的智能信道編碼技術(shù)，使得無線傳輸系統(tǒng)中的接收端也相應(yīng)地具有智能譯碼接收。信道編碼的基本原理是在所傳輸?shù)男畔⒈忍睾蟾郊佑糜诩m正有噪信道所產(chǎn)生錯誤的校驗

2、比特。在 Shannon劃時代的信道容量和隨機編碼理論后的數(shù)十年里信道編碼無論從理論和實踐都有了巨大的發(fā)展。在本論文的第一部分將一些常用的信道編碼進行適當?shù)母倪M以提高整個編碼傳輸系統(tǒng)的性能。
　　進一步解決上述問題的第二個合理方案就是在無線通信系統(tǒng)中采用所謂的編碼協(xié)作技術(shù)，將信道編碼和協(xié)作通信有機結(jié)合以獲得編碼和協(xié)作分集兩種增益。分集技術(shù)通常是接收機對多路獨立信號進行接收以獲得分集增益來對抗多徑衰落。然而在某些特定的通信系統(tǒng)中只能

3、采用單天線發(fā)射或接收，為了在單天線系統(tǒng)條件下同樣獲得分集研究人員設(shè)計了一個可等同形成虛擬天線陣的三終端網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)發(fā)射分集，這就是學(xué)術(shù)界所提出并研究的所謂協(xié)作通信。
　　作為協(xié)作通信系統(tǒng)的單元，中繼的引入就是為了進一步提高系統(tǒng)的功效、實現(xiàn)更大的信道容量和更好的傳輸可靠性。因此我們有必要將中繼協(xié)作系統(tǒng)中的各個單獨組成部分加以協(xié)同以獲得更好的系統(tǒng)性能。除了協(xié)作分集外協(xié)作通信系統(tǒng)還存在著一個更為強大的分集技術(shù)，即編碼協(xié)作分集，它是將高效編

4、碼技術(shù)與協(xié)作技術(shù)巧妙結(jié)合而產(chǎn)生的一種新的分集技術(shù)。目前已有許多基于源和中繼節(jié)點分享資源以獲得協(xié)作分集和更高編碼增益組合的有效協(xié)議。因此本研究的第二個目標就是探索這類編碼協(xié)作系統(tǒng)，在低編碼和譯碼復(fù)雜度條件下同樣實現(xiàn)較優(yōu)越的系統(tǒng)性能。
　　另一方面為了增加無線通信系統(tǒng)的保密性，密碼技術(shù)（如混沌系統(tǒng)）被廣泛應(yīng)用信息傳輸中以保護所傳數(shù)據(jù)不被非法截獲和盜用?；煦缡且粋€在自然界和非線性系統(tǒng)中廣泛存在的奇特現(xiàn)象?；煦缦到y(tǒng)可提供許多用于通信保密的

5、高品質(zhì)的基本要素，如實現(xiàn)簡單、成本低廉、加/解密速度快和安全性高等特點?；煦绲闹匾匦允撬膭恿W(xué)系統(tǒng)即使由確定過程控制也決不會重復(fù)，即它的未來的動力學(xué)系統(tǒng)由其初始狀態(tài)決定。
　　然而值得注意的是長期以來差錯控制和混沌加密是相互兩個獨立的研究課題。但即使作為兩個獨立領(lǐng)域混沌和編碼理論依然可以有機地結(jié)合形成一個新的極富有吸引力的研究方向，因為兩者結(jié)合可以使得極大地減少信號處理的代價或快速高效的工程實現(xiàn)。目前國際學(xué)術(shù)界很少關(guān)注將高效信

6、道編碼和混沌技術(shù)相結(jié)合并將其應(yīng)用至編碼協(xié)作系統(tǒng)中去。因此本論文的主要研究領(lǐng)域就是探索將高效信道編碼和混沌技術(shù)相結(jié)合，研究具有保密功能的編碼協(xié)作系統(tǒng)的性能，使得整個系統(tǒng)所傳輸?shù)男畔⑼瑫r具有很好的可靠性和保密性。
　　本論文所涉及的信道編碼為 Turbo碼、LDPC碼和目前國際編碼學(xué)術(shù)界的研究熱門極化碼(Polar Codes)。首先提出了針對Turbo碼兩個新的交織器設(shè)計算法，即修正的分組半隨機(MBSR)交織器和修正的匹配半隨機(

7、MMSR)交織器。在兩種設(shè)計中交織器的構(gòu)造主要取決于所謂的S-隨機約束，以確保擴散導(dǎo)致產(chǎn)生低重量碼字的輸入信息序列。同時我們在半雙工中繼信道下分析了 MMSR交織器對分布式 Turbo碼和分布式多 Turbo編碼系統(tǒng)的影響。模擬研究表明在相同條件下采用MMSR交織器的分布式Turbo碼系統(tǒng)的性能要明顯優(yōu)于采用其它交織器的分布式Turbo編碼系統(tǒng)。
　　本論文進一步提出了將 Turbo碼的設(shè)計與混沌系統(tǒng)相結(jié)合。我們所提出的混沌開關(guān)

8、Turbo編碼系統(tǒng)與其它傳統(tǒng)的Turbo碼系統(tǒng)相比具有更好的安全性，僅在誤碼率上略有損失。此外我們還提出并研究了兩種混沌開關(guān) Turbo編碼協(xié)助系統(tǒng)的性能，即分布式混沌開關(guān) Turbo碼(DCSTC)和協(xié)作混沌打空開關(guān) Turbo碼(CCPSTC)。研究表明可采用降低混沌速率的方法避免系統(tǒng)誤碼性能上的損失。
　　由于在硬件實現(xiàn)方面的巨大優(yōu)勢，本論文研究的第二種信道編碼是準循環(huán)低復(fù)雜度奇偶校驗(QC-LDPC)碼。論文提出并研究了兩

9、種分布式 QC-LDPC碼在半雙工中繼信道下的性能。模擬研究表明分布式 LDPC和 QC-LDPC編碼系統(tǒng)在半雙工中繼信道下的性能均要優(yōu)于傳統(tǒng)的響應(yīng)的點對點編碼系統(tǒng)。論文進一步在研究了分布式 LDPC/QC-LDPC編碼系統(tǒng)中引入數(shù)據(jù)加密，研究表明該系統(tǒng)所傳輸?shù)男畔⒖梢匀〉昧己玫目煽啃院桶踩浴?br>　　本論文所研究的第三種信道編碼是一種新穎的打空極化碼，即該極化碼的構(gòu)造中移去譯碼器已知的所謂的凍結(jié)位。通過分析其行容量和列重量特性我們

10、可知在二進制加性白高斯噪聲信道(BI-AWGN)下該打空極化碼系統(tǒng)的性能要優(yōu)于傳統(tǒng)的極化碼。本文分別在半雙工單中繼和雙中繼信道下，研究了譯碼/前饋(DF)極化碼在多步連續(xù)消除和多步聯(lián)合連續(xù)消除譯碼下的性能。在本節(jié)所提出的編碼協(xié)作系統(tǒng)中，中繼所需處理的信息位取決于一個信息位受到壓縮的矩陣，且該矩陣的構(gòu)造利用了極化碼的三層和多層結(jié)構(gòu)特性。研究表明在本文所提出的混沌極化編碼中，在沒有任何凍結(jié)比特先驗知識條件下譯碼器無法正確地譯出發(fā)射端所傳輸?shù)?/p>