（通信与信息系统专业论文）基于无线扩频数传系统的加密纠错混合编码技术的研究.pdf

摘要 c d m a 扩频通信现已成为移动通信领域的热点，而无线数 据传输也逐渐随着笔记本的兴起，掌上电脑的出现蒸蒸日上。实 际应用中，由于无线信道链路的特殊性，数据传输的可靠性和安 全性一直是重要的研究课题。以往研究时，常常将加密与纠错分 开来。自从1 9 8 6 年d i 艏e 和h e l l m a n 提出公开密钥的新思想， 特别是之后m c e l i e c e 提出根据纠错码译码是一个n p 完全问题， 利用g o p p a 的特点设计了m 公钥后，纠错码与密码学相结合日 益展现出广阔的前景。 我在导师指导下，对加密纠错相结合技术及其在扩频无线数 传系统接口中的应用方面作了探索与尝试，试图实现( 2 4 ，1 2 ， 7 ) 扩展o o l a y 码编码，修正捕错译码并用p n 码进行序列加密 及3 2 8 的交织，然后以6 4 k 低速同步和2 5 6 k 高速同步速率传 输，与c y l i n k 公司的3 8 4 ka i r l i n k 无线扩频m o d e m 及本室研 制的多媒多路复用器，多媒体数据库系统一起构成具有较高安全 性和可靠性的无线数据传输系统。f 所用的主要开发工具为x i l i n x 公司的f p g a 开发系统，8 2 7 4 多协议通信控制器及i s a 总线。 下面分别对各章作简要介绍。第一章对无线扩频通信与无线 数据通信的体制与发展状况作了阐述，并说明了本课题设计的目 的与意义：第二章结合课题对数据加密与信道编码技术作论述； 在第三章详细介绍了系统的总体结构及设计基于的算法原理：第 四章则对加密纠错扩展板的硬件结构、所采用的关键器件进行了 详细的说明，包括编懈码部分、数据收发部分、接口部分等，另 外，对上层软件设计也作了阐述；第五章着重于系统调试与性能 分析：第六章简单论述了作课题的体会及系统有待改进之处。于百一 关键词，扩频通信、无线数据通信、信道编码、加密、 传输接口、f p g a 、i s a 总线 a b s t r a c t c d m a s p r e a d s p e c t r u mc o m m u n i c a t i o nh a sb e e nah o tp o i n ti n t h ef i e l do fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，a n dw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n a l s oh a s d e v e l o p e dq u i c k l y w i t ht h e a p p e a r a n c e o ft h e p o r t a b l e c o m p u t e r i nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，t h er e l i a b i l i t ya n dt h es a f e t yo f t h ed a t at r a n s m i s s i o na r e a l w a y st h ei m p o r t a n ts u b j e c td u et ot h e p a r t i c u l a r i t yo f t h ew i r e l e s sc h a n n e l f o r m e r l y , w ej u s td e p a r t e dt h e e n c r y p t i o nf r o mf o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n s i n c ed i 衢ea n dh e l l m a n p u tf o r w a r d t h et h o u g h to ft h ep u b l i ck e y , e s p e c i a l l ya f t e rm c e l i e c e m a d eac o n c l u s i o nt h a td e c r y p t i o na c c o r d i n gt ot h ee r r o r c o r r e c t i n g c o d e si san pw h o l e p r o b l e m a n dd e s i g n e dt h em p u b l i ck e yw i t ht h e c h a r a c t e r i s t i co ft h e o o p p ac o d e ，t h e c o m b i n a t i o no ft h ee r r o r c o r r e c t i n gw i t ht h ee n c r y p t i o na p p e a r st oab r o a d r o a d u r i d e rt h ei n s t m 嘶o no ft h ea d v i s e r ih a v ed o n es o m er e s e a r c h o nt h ei n t e r f a c eo ft h es p r e a d - s p e c t r u mw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n s y s t e m a n do nt h e e n c r y p t i o n c o m b i n e dw i t h e r r o r - c o r r e c t i n g t e c h n o l o g y ，h a v e r e a l i z e dt h e e n c o d i n g a n dd e v i s e d e r r o r c a p t u r e d e c o d i n go ft h e ( 2 4 ，12 ，8 ) e x p a n d e dg o l a yc o d e ，t h e nu s e dt h ep n c o d et oe n c r y p ta n di n v e r tt h es e q u e n c e ，m a d e3 2 x8i n t e r l e a v i n ge t c a tl a s t ，t r a n s m i t t i n gw i t ht h er a t eo f6 4 ko r2 5 6 ks y n c h r o n o u s l yi s r e a l i z e dt h em a i nd e v e l o p m e n tt o o l s a r et h ef p g ad e v e l o p i n g s y s t e m ，8 2 7 4m u l t i p r o t o c o l c o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e ra n di s ab u s w i t ht h e38 4 ka i r l i n kw i r e l e s sm o d e mm a d eb yc y l l n kc o m p a n y ， t h em u l t i m e d i am u l t i p l e x e ra n dt h em u l t i m e d i ad a t ab a s es y s t e m ，i t w i l lb ec o m p o s e do faw i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a v i n g h i g hs a f e t ya n dr e l i a b i l i t y t h ec o n t e n to ft h ec h a p t e r sw i l lb ei n t r o d u c e db e l o w i nc h a p t e r 1 ，t h es y s t e ma n dt h es t a t u sq u oo ft h ew i r e l e s ss p r e a d s p e c t r u m c o m m u n i c a t i o na n dt h ew i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o na r ed i s c u s s e d ， a n dt h eg o a lo ft h es u b j e c ti sa l s oi l l u m i n a t e d t h ed a t ae n c r y p t i o n a n de r r o rc o r r e c t i o na r ed i s s e r t a t e dl i n k e dw i t ht h es u b j e c ti nc h a p t e r 2 w h i l ec h a p t e r3w i l lt e l lu st h o r o u g h l yt h ew h o l es t r u c t u r eo ft h e s y s t e ma n dt h et h e o r yo f t h ea r i t h m e t i cm e t h o du s e di nt h es y s t e m i n c h a p t e r4 ，t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo f t h ee x p a n s i o nb o a r da n dt h ek e y i cc h i p sa r ec l a r i f i e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h ep a r to fe n c o d i n ga n d d e c o d i n g ，t r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n g ，t h ei n t e r f a c ee t c t h es o f t w a r e d e s i g n i n gi s d i s c u s s e di nt h i sc h a p t e r , t o o m o r e o v e r c h a p t e r5 i s f o c u s e do nt h ed e b u g g i n ga n da n a l y s i so ft h es y s t e m a n dt h e c o m p r e h e n s i o n o ft h ew h o l e j o ba n d t h et h o u g h to f i m p r o v e m e n t o n t h eb o a r di ss e tf o r t hi nt h el a s tc h a p t e r k e y w o r d s ：s p r e a d - s p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n s 、e n c r y p t i o n w i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o n s 、c h a n n e le n c o d i n g 、 t h ei n t e r f a e ef o rt h et r a n s m i s s i o n 、f p g a 、i s ab u s 前言 日u 青 通信作为人们一种交流思想的方式，由三方面组成：人、信 息和系统。当前通信的困扰就在于如何解决人与通信系统的友好 界面和信息与通信系统的最佳匹配。从人与通信系统的关系来考 虑：许多系统不是面向用户而是面向固定地点的终端，这种方式 大大降低了接通率，影响及时通信；从信息与通信系统的关系考 虑：存在有多种媒体的信息如何同通信系统同时匹配、模拟信息 与数字信息如何统以及宽频带的交换技术的实现等问题。为 此，通信的数字化( 此处含宽带化和综合化) 、智能化和个人化已 成为通信业务发展的总趋势。它将对通信网的发展变化产生深刻 影响。 1 、通信的数字化 将模拟信息转换为数字数据表示，从而使通信系统成为离散 的数字系统，是与当前技术背景相适合的通信手段。它可以大量 利用飞速发展的数字计算技术，充分发挥数字信号易于存储与处 理的特点，便于统一各种信号的表示方法。通信的数字化不仅更 好地解决原有的业务，还促进了新的业务领域的不断扩展。从终 端设备来看，与计算机技术相结合的多媒体终端正在逐步将话 音、图象、视频、文字和数据综合为体。综合业务数字网( i s d n ) 将逐渐替代分离的电话网、数据网、传真以及电视广播等。 2 、通信的智能化 用户业务的智能化一般用智能网( i n t e l l i g e n tn e t w o r k ，i n ) 的 概念表示。随着技术的发展，智能网的功能将不断开发，提供诸 如各种查询业务、秘书业务、会议业务、会诊业务、购物业务、 电视点播及金融业务等，使很多社会服务功能集中到通信网；网 路管理的智能化由管理网实现，从而减少故障时间，保障通路功 能，提高传输容量和利用率，为用户提供满意的服务质量，进行 需求的预测，降低运营成本等。 3 、通信的个人化 为了实现通信的个人化，必须使通信面向个人，建立个人通 信号码，以便主叫使进行确认和被叫时进行跟踪之用；其次采用 灵活的无线接入方式，解决个人移动性和通信固定网的矛盾；另 外须采用智能网的机制，以进行个人移动性管理和处置。可以预 见，新的个人通信服务( p c s ) 可以提供全国和全世界范围的语 音和数据系统。 随着铁路运输事业的发展，无论是铁路营业里程、行车密度、 还是铁路运行速度都有了很大提高，尤其是代表高新技术的通 信、信号领域更为显著。但是，相对于社会经济的其它领域，铁 路运输的发展仍处于落后状态。为了挖掘现有铁路运输的潜力并 发展更先进的铁路运输系统，铁道部在原有t m i s 系统的基础上， 已准备建设d m i s ( 运输调度指挥管理信息系统) 工程，它是采 用现代化的信息技术，将通信、信号、计算机等技术融为一体的 运输调度指挥系统。为此，更新通信手段，以使其宽带化、智能 化、多样化的通信业务的需要，将成为增强铁路在交通运输行业 的竞争性的迫切问题。而无线数据传输作为种灵活的通信手 段，势必在铁路运输中发挥其应有的作用。 本论文就无线数据通信的体制与传输问题进行了探讨，该课 题的研究无论在铁路还是其他领域都有广阔的运用前景。 第一章无线扩频数据通信现状与发展 第一章无线扩频数据通信现状与发展 1 1 扩频通信系统 扩展频谱( s p r e a ds p e c t r u m ，s s ) 是指待传输信息的频谱用 某个特定的扩频码扩展后成为宽带信号，送入信号中传输，在接 收端在利用相应手段将其压缩恢复，从而获取传输信息的通信。 它基于信息论中著名的香农定理】： c = b l o g ( 1 + s n 、 其中，b 为信道带宽，s 为信号平均功率，n 为噪声平均功率， c 为信道容量。可以看出：在一定的信道容量条件附一定) 下， 可以用减少发送信号功率、增加信道带宽或减少带宽而增加信号 功率的办法达到提高信道容量的要求，扩频通信正是用前一种方 法来获得好的通信效果。另外，根据信道容量公式 3 1 c = m a x h ( y ) 一h ( y x ) p ( x ) 分析可知，在平均功率受限的高斯加性信道中，具有高斯分布的 输入信号是此信道中的最佳传输信号，可以使信道具有最大的信 道容量。因此，通常采用伪随机序列码作为扩频码来增加传输带 宽，以满足扩频通信系统中传输带宽远远大于被传送的原始信息 带宽的要求。 按照扩展频谱方式的不同，扩频通信系统可分为：直接序列 ( d s ) 扩频，跳频( f h ) ，跳时( t h ) ，以及上述几种方式的组合。所 谓直接序列扩频就是直接用具有高速率的伪随机序列在发送端去 扩展信号的频谱；而在接收端，用相同的伪随机序列去进行解扩， 第一章无线扩频数据通信现状与发展 把展宽了频谱的扩频信号还原成原始的信息。所谓跳频，即用一 定的伪随机码序列进行选择的多频率频移键控。而跳时是发射信 号在时间轴上的跳变。三种方式各有其特点。 扩频通信系统利用其扩频和解扩过程，具有如下优点： ( 1 ) 具有抗干扰和抗多径衰落的能力； ( 2 ) 可以与窄带f d m a 、t d m a 以及微波通信共享频带，相 互影响小； ( 3 ) 由于地址码密钥和低发射功率谱而使保密性能好； ( 4 ) 许多扩频信道共用载波频率，不需要复杂的波道频率分配 与管理，实现多址连接灵活方便。 码分多址方式是扩展频谱通信的一个重要应用，它用自相关 性很强而互相关性很弱的码序列作为地址码，对已调的信息信号 进行二次调制。它不但有扩频通信的优点，如抗干扰性强、保密 性好、信号发射功率低等，而且具有强大的选址能力和很高的频 带利用速率，已成为移动通信领域的发展方向。 1 2 无线数据通信网络与体制 无线数据通信是人们对移动通信的新需求，它能解决在许多 情况下有线数据通信及其组网不能满足用户应用的要求，使得人 们能随时随地都可以交换数据信息。这种技术建网迅速、通信灵 活、不受时间地点的限制；适应性强、扩容方便、服务种类多、 应用范围广，使用户不用担心高昂的电话线路租用费和光( 电) 缆设备费，尤其适用于移动用户。随着便携式电脑的广泛应用和 无线数据网络的出现，无线数据通信服务及其相关的用户终端设 第一章无线扩频数据通信现状与发展 备市场正在迅速成长。近两年来，无线网络产品市场增长速率均 超过5 0 采用无线扩频技术的产品已经占到7 0 左右，而采用 窄带技术的产品已逐渐退出市场，移动性网络产品已成为无线网 络产品的主要动力。 一、无线数据通信体制 无线数据通信可分为固定无线数据通信和移动无线数据通信 两大类。固定无线数据通信是采用无线手段为固定用户提供的接 入方式，一般用于某些部门的内部通信或作为公众数据网的无线 接入，即作为地面数据网的延伸和补充。实现手段有卫星、微波 以及采用4 5 0 m h z 和8 0 0 9 0 0 m h z 的多点对一点、一点对多点系 统多种。 移动数据通信网按所用技术不同来分，可分为：电路交换型 和分组交换型。 l 、电路交换型( 蜂窝移动电话系统) 在现有的蜂窝移动电话网一模拟网如n m t 4 5 0 、n m t 9 0 0 、 t a c s 、a m p s ，数字的如g s m ，等网上提供的透明的电路交换 的数据业务。它可利用现有蜂窝已有的大的覆盖面，实现起来简 单，费用低，目前占移动数据业务的主导地位。 2 、分组交换型 在这种方式下，数据以“分组”形式在无线信道上传送。分 组交换型网络主要有蜂窝移动数据通信网、无线局域网、双向移 动数据通信网、无线数据广播网和无线p o s ( p o i n t o f s a l e s ) 系统。 ( 1 ) 蜂窝移动数据网 这是纯数据方式的蜂窝网络，是独立的分组交换的移动数据 网：在用户端需配置专门的无线分组调制解调器，通过专门的分 第一章无线扩频数据通信现状与发展 组基站进入主网，数据传输速率最高可达1 9 2 k b i t s ，国外常用 于交通和安全部门。以m o t o r o l a 公司的d a t at a c 系统和 e r i c s s o n 公司的m o b i t e x 系统为代表，e t s i 已制定欧洲移动 数据系统的公开标准t e t r a 。 d a t at a c 系统是一个全国范围内的无线数据通信网，可由多 个区域无线数据通信系统组成，整个网络可通过x 2 5 或t c p i p 协议与计算机主机、公众分组交换网及l a n 相连；其无线链路 协议为m o t o r o l a 专利技术r d l a p ，系统工作频段为8 0 6 8 2 5 h z 或4 1 0 - - 4 7 0 h z ，支持1 9 2 或9 6 k b i t s 的传输速率。m o b i t e x 系 统的网络组织采用等级体系，以i s o 模型为基础，分基站( b s s ) 、 区交换局( m o x ) 和主交换局( m h x ) 三层，网络以无线小区 为基础，各小区由个智能基站提供服务，m o b i t e x 用户与最近 的基站联系；m o b i t e x 通信规程采用专利技术，可支持多种标准 网络接口，含t c p i p 和x 2 5 ，目前4 5 0 m h z 频段的传输速率为 1 2 k b i t s ，9 0 0 m h z 频段的传输速率为8 k b i t s 。 ( 2 ) 蜂窝数字分组数据( c e l l u l a rd i g i t a lp a c k e dd a t a ，简称 c d p d ) 这是1 9 9 3 年由a m p s t d m a 蜂窝运营公司和计算机公司发 起和指定的标准，该通信网是解决无线数据传输的最佳办法。它 利用分组在蜂窝网上传送信息，并采用开放系统互连( o s i ) 模型作 为分组交换数据通信方式。以8 0 0 m h za m p s 制式的蜂窝系统 为基础平台，其数据空中接口具有在话音业务上增值的功能，采 用分组数据方式，数据速率可高达1 9 2 k b i t s ，标准的计算机通 信协议t c p i p 使之易于和广域网结合。因而c d p d 的通信性能 优于电路交换数据网，成本与覆盖范围又优于分组交换数据网。 第一章无线扩频数据通信现状与发展 下图是c d p d 的系统配置。开放的结构是c d p d 的最大优越 性之它支持多种数据协议，支持多种业务销售商之间的特性 和服务差异。c d p d 另一特性在于它优越的性能，采用8 0 0 m h z 和9 0 0 m h z 的无线频率、3 0 k h z 间隔的射频信道、以及先进的 q m s k 数字调制技术和r e e d 。s o l o m o n 前向纠错编码，保证链路 的经济利用、高可靠性和抗干扰能力；采用1 9 2 k b i t s 的全双工 信道作空中接口及i t u tv 4 2 b i s 的数据压缩，大大增加了数据 通量：它同样支持网络切换和漫游，支持m e s 从静止一直到时 速1 0 0 k m s 的快速移动。 图1c d p d 系统配置 ( 3 ) 无线局域网 无线局域网采用微波、激光、红外线作为传输媒介，微波频 段又分为窄带局域网与扩频局域网。它由能进行无线通信的工作 9 第一章无线扩频数据通信现状与发展 站、服务器等设备组成，覆盖范围可以从几百平方米到几千平方 米不等。1 9 9 4 年，i e e e 颁布了无线局域网标准8 0 2 1 1 ，其中规 定直接序列扩频无线联网的信道传输速率为2 m b i v s ，采用1 1 一c h i p 扩频序列，d q p s k 调制。 另外，欧美市场上有一种被称为“本世纪个人移动通信的最 后希望”的无线网络一m c d n ( m i c r oc e l l u l a r d a an e t w o r k ) ， 它采用导频跳频技术，提供多种入网方式和都市区域的大范围覆 盖，数据传输速率约为7 7 k b i d s 。m c d n 基站根据地理位置科学 的分布，无须借助交汇中心控制，各基站直接传输信息，因此费 用极其低廉。 下面列表对各种体制作简要比较： 表1主要无线数据通信系统参数 系统g s m i s 9 5d a t a l l a cm o b i r e xc d p d 参数、 c d m a 频段发9 3 5 9 6 08 6 9 8 9 48 5 1 8 7 09 3 5 9 4 08 6 9 8 9 4 ( m h z ) 收8 9 0 9 1 58 2 4 8 4 98 0 6 8 2 48 9 6 9 0 1 8 9 0 一9 1 5 r f 信道间 2 51 2 5 1 0 32 51 2 53 0 隔( k h z ) r f 信道接f d m a f d m a f d m a ， f d m a f d m a 入与多址方t d m a s s d s m aa l o h at d m a c d m a 调制方式g m s k 4 f s k d sf s kg m kg m s k s s 支持协议t c p ，i pr d l a pm a s k o s i x 2 5 t c p ，i pc l n p 第一章无线扩频数据通信现状与发展 t c p ，i pt c p ，i p 信道比特率9 69 6 1 9 28 01 9 2 ( k b p s ) 分组长度分组业务2 5 6 以内5 1 2 以内2 4 9 2 8 ( b i t ) t b d ( h d l c ) 工作方式双工双工半双工半双工均可 频率复用 9 1 211 6 最小1 271 3 鉴权与加密有有有无有 覆盖范围室外室外建筑物内建筑物内室外 开放性是是否是是 二、无线移动数据通信目前发展状况 1 9 8 6 年第一个公用移动数据网建成，标志着移动数据业务开 始实现。近来，随着数据业务的迅速发展，移动数据业务的需求 急剧增加。据有关资料显示，全球移动数据用户将以4 0 5 0 的年增长速度增加，1 9 9 8 年可达1 0 0 0 万户，移动数据业务和设 备市场增加到7 8 亿元。 在我国，国家无线电管理委员会于1 9 9 7 年1 月分配8 0 0 m h z 频段作为无线移动数据通信的使用频段；并批准中国电信使用 8 2 4 一一8 2 5 8 6 9 8 7 0 频段，频道间隔3 0 k h z ，频道序号为7 5 1 到7 5 2 ， 用作邮电公共无线数据网建设专用频段。1 9 9 7 年1 2 月，中国电 信与l u c e n t 公司签定了中国第一个公共无线数据网f c d p d 系统) 合同：南京通信设备股份有限公司于19 9 8 年2 月同l u c e n t 签定 c d p d 项目合作协议；另外，联通公司也与m o t o r o l a 公司签署了 m o u ( m u t i p l e xo p e r a t o ru n i o n ) 。 第一章无线扩频数据通信现状与发展 三、无线移动数据通信存在的问题和发展方向 目前，除了专门用于移动数据通信的的c d p d 系统和卫星数 据通信系统外，现有其它无线通信系统通过加强其系统的功能或 增加数据通信的设备来实现无线数据通信业务，如g s m 的p h a s e i i 、i s 9 5 c d m a 、c d p d ，而第三代移动通信系统i m t 2 0 0 0 将 在提供全球覆盖的同时，提供综合的话音与非话业务，特别是数 据通信业务( 支持1 4 4 k b i t s - - 2 m b i t s 速率的数据通信业务) 。总 之，无线数据通信系统最终将建立覆盖全球的通信网；业务上， 将提供更高速率、支持多种协议、多种速率的无线接入，实现通 信的个人化。 目前移动数据业务发展所面临的困难在于：系统制式尚未有 统一的标准；不同系统之间的漫游、甚至同一系统不同业务间的 漫游存在困难；覆盖范围有限；可供选择的用户终端设备有限。 就技术上而言，无线数据通信主要存在两个问题：一是无线 信道的传输问题：二是无线数据网的网络结构与接入技术问题。 无线信道的电波传播环境复杂，发射信号通过自由空间的直射、 反射、绕射、多径传播到达接收机，引起的瑞利衰落及频率选择 性衰落影响数据传输性能；针对这些问题，无线数据传输中采取 了分集接收技术、具有较高频带利用效率的调制解调技术、差错 控制方式以及扩频技术等。另一方面，无线数据传输的网络结构 规划( 如采用星型、分布式还是中继网) 以及如何控制无线数据 的媒体接入，如何实现不同体制间用户的共享信道问题，实现这 些技术对于提高无线通信系统的容量和性能十分关键。 第一章无线扩频数据通信现状与技展 1 3 本论文研究的目的和意义 如前所述，无线数据传输技术是无线数据通信中的关键技 术，由此带来的数据信息的误码率是衡量数据传输系统的一个重 要指标。就拿话音与数据对比而言，话音分组的丢失率及误比特 率允许为1 0 ，而数据分组误比特率不能大于l o ，且不能有任 何分组的丢失。这就对无线数据通信的抗干扰性能与差错控制技 术提出了更高的要求。 本课题研究的目的就是要解决无线数据传输中的保密、差错 问题，旨在利用伪随机加密、强纠错编码方法提高数据传输的可 靠性。它对提高传输数据的误码率、实现无线信道的高可靠性从 而提高整个数据通信网络的稳定性具有极其重大的意义。 目前无线扩频电台已有成品出现，独立的加密技术、纠错技 术都已经比较成熟，但加密纠错相结合算法的硬件实现还很少有 人问津；另外，计算机间用于实时传送多媒体信息的高速同步接 口器件国内还没有见到，而进口的又很贵。本文着重利用f p g a 的研究了“加密纠错相结合的数据通信扩展板”，并设计实现了 计算机的高速同步传输接口。因此该项研究具有很高的实用价 值。 第二章抗干扰通信与编码技术 第二章抗干扰通信与编码技术 2 1 数据密码体制 在当今以计算机通信网为核心的信息化社会里，信息的产 生、存储、处理和交换业务的日益增长，分布计算、分布数据库、 并行处理、电子邮件、电子转帐系统的迅速发展，以及信息高速 公路的即将建立，使得信息的安全保护问题成为迫在眉睫、亟待 解决的研究课题。针对各种形态信息的特点，人们提出了有效的 信息安全保护方法。于是密码学逐渐脱去神秘的面纱，不再为外 交和军事领域所专有，而走向了与更多人密切相关、为更多人服 务的信息时代。 一个加密系统可以用数学符号描述如下： s = ( 肘，c ，k ，e ，d ) 其中，m ：明文空间，表示全体可能出现的明文集合； c ：密文空间，表示全体可能出现的密文集合； k ：密钥或密钥空间； e ：加密算法； d ：解密算法。 当给定的密钥k ，k 时，加、解密算法分别记为e 。、d k ，于是密 码体制可表示为： = ，c ，k ，e 。，d i ) 各符号间有如下关系： c = e 女( m ) ： 第二章抗干扰通信与编码技术 m = d 女( c ) = d ( e k ( 卅) ) 分别表示用加密算法e k 对明文m 加密得到密文c ，用解密算法d 。 对密文c 解密得到明文m 。 根据对明文数据的加密方式不同，密码系统可分为序列密 码系统和分组密码系统两大类。 其中序列密码的加密过程是先把报文、话音、图象和数据等 原始明文转换成密文序列，然后用密钥序列对它进行逐位加密， 生成密文序列发送给接收者；接收者用相同的密钥序列进行逐位 解密来恢复明文序列。这种密码体制不存在数据的错误传播，实 时性好，加、解密容易实现，是一种广泛应用的密码系统。序列 密码的安全性主要依赖于密钥序列，当密钥序列是离散无记忆的 二进制均匀分布的信源产生的随机序列时，该系统是不可破的。 设计序列密码系统的关键是设计密钥序列，目前为止，密钥序列 的的产生大多基于移位寄存器，如基于线性反馈移位寄存器的前 馈序列发生器、非线性组合序列产生器、钟控序列产生器和非线 性反馈移位寄存器等。 分组密码原理如下：将明文序列分成长为n 的组： m = ( m o ，”州) 各组在密钥k 确定的加密算法e 。加密后变换成长为n 的密文： c = ( c o ，c 1 ，g 一i ) 在分组密码中一组密文的每一位一般与对应明文组的所有位都有 关。这种加密体制的设计技巧是s h a n n o n 建议的扩散和混乱，即 每一位明文、每一位密钥的影响尽可能迅速地作用到较多的输出 密文中去，明文与密文之间的统计特性关系尽可能复杂化。常用 的分组密码体制有：数据加密标准d e s ，它是美国国家标准局颁 第二章抗干扰通信与编码技术 布的用于非国家保密机关的数据加密标准。为了解决密钥需占用 安全信道传输而代价昂贵的问题，1 9 7 6 年d i f f ie 和h e l i m a n 提 出了公开密钥密码系统的概念，m c g l i e c e 系统就是基于线性码 构造公开密钥密码系统的典型。c d p d 采用由r s a 数据加密公司 授权的r c 4 伪随机码加密算法，具有很强的用户通信保密功能。 2 2 纠错编码方式 无线数据传输过程中，由于信道的干扰与信号本身的衰落， 接收到数字信号会出现概率性误码，产生随机错误与突发错误 等。有两种解决此问题的方法：( 1 ) 降低数据信道( 包括调制解 调器、数据传输线路) 本身引起的误码率，如选择合适的数据传 输线路、改进数据传输线路的传输特性或增加信号的能量，选用 抗干扰性能好的调制解调方案等；( 2 ) 在传输控制器增加差错控 制设备，构造强的纠、检错编码等。其中纠错码作为提高信息传 输可靠性的有效手段，已经历了四十年的历史。随着信息时代的 到来和微电子技术的飞速发展，它逐渐成为一门标准技术而被广 泛采用。在通信领域，c r c 校验早已是i t u t 对各类线路传输建 议中不可缺少的部分；在卫星通信中纠错技术是降低对高功 放的要求以及减少地球站天线孔径尺寸的经济有效的方法：在移 动通信中，纠错码广泛用于模拟体制的信令传送和数字体制的整 个传输系统中：在电话网上的数据通信技术中，差错控制已是 9 6 k b i t s 以上的数据传输的关键技术。在扩频码分多址通信系 统中，由于扩展频谱技术本身也具有较强的抑制干扰的能力，毋 庸置疑，引入纠错技术后，将会使系统的抗干扰性能大大增强， 第二章抗干扰通信与编码技术 可以降低扩频解调所需的信噪比，使系统的多址能力得以提高。 在当今几种无线数据通信体制中，d a t a t a c 采用3 4 t r e l l i s c o d e ，m o b i r e x 采用b c h 码，而c d p d 标准用r e e d s o l o m n 码。 在有扰信道中进行可靠信息传输的理论是s h a n n o n 于1 9 4 8 年提出的有扰信道编码定理。 信道编码定理：每个信道具有确定的信道容量c ，对于小于c 的信息传输速率r ，存在一个码长为n 、码速率为r 的分组码， 若用最大似然函数译码，则随着码长的增加其译码错误概率p 。 可以任意小，即译码错误概率】： 只a e 一“毛8 式中，a 是常数，e ( 尺) 称为误差指数，是r 的正实函数， 它们与r 、c 的关系如图所示： f c 1 c 2 图2e ( r ) 与c 、r 的关系曲线 r 由此可知，可以用下列两种方法满足用户对误码率的要求：一是 增加信道容量c ，上式表明能通过增加系统带宽或信噪比来实现， 这是从根本上改变信道、减少误码率的方法：二是在r 一定的时 候，增加分组码长n ，但码的冗余度及编译码设备的复杂性也随 之增加。纠错编码就是用后一种方法来提高传输的可靠性的。按 照对信息源输出的信号序列处理方式的不同，分为分组码和卷积 第二章抗干扰通信与编码技术 码两类。 循环码是分组码的一种，它是类重要的线性码，它的重要 | 生质如下：( 1 ) 具有严谨的代数结构，其性能易于分析：( 2 ) 具 有循环特性的编译码电路，特别是编码电路易于实现。 系统中用的循环码( 2 3 ，1 2 ) o o l a y 码，是唯一已知的 能纠多重差错的完备码；经扩展后的( 2 4 ，1 2 ，8 ) 扩展g o l a y 码分组长度正好为三个字节，便于处理和传送；能纠正码字内的 三个错误，检测出四个错误，并能纠正长度为5 的突发错误。它 具有优良的纠错性能，良好的代数结构，在实际中有广泛的应用， 如美国寻呼系统中使用的就是这种码型。 2 3 加密与纠错相结合系统 众多通信体系中，加密和纠错技术往往是分开考虑的，即先 对数据加密，再对加密后的数据进行纠错编码，这样使得系统的 计算量增大，处理数据的能力降低，多余码元的利用率不高；系 统设备复杂，传输效率低。1 9 7 8 年由于8 e r l e k a m p 等人证明了 一般线性码的译码问题是一个n p c 难题，因而m c e l i e c e 根据这 一事实，并利用o o p p a 码的特点，首次用纠错码构造出一类公钥 体制，即m 公钥体制，从而开创了纠错码在现代密码学中的应用 前景；而r a o 于1 9 8 6 年构造了一个汉明码私钥加密系统，为纠 错与加密相结合的实用阶段奠定了基础。之后，加密与纠错相结 合的系统，以其较高的安全性和可靠性目益受到重视。 纠错码在公钥加密系统中的应用有m ( ) 公钥体制算法， 而纠错码用于私钥加密系统有r a o n a m 私钥体制和m c 分组加密 第二章抗干扰通信与编码技术 纠错体制。密码学与纠错相结合，具有如下优点： ( 1 ) 仅用一次编码就可同时实现纠错与加密，能充分发挥 多余度码元的作用； ( 2 ) 利用现有的纠错编解码器，经过适当调整，实现密镅 的管理和消息认证； ( 3 ) 所用的密码体制大多为概率型体制，从而大大提高已 知明文密文对攻击的难度。 2 4 交织技术 在移动传输信道中，除了会产生由随机噪声( 如白噪声等) 引起的随机错误外，还存在由于脉冲干扰、多径衰落等引起的突 发错误。采用交织技术，可以把突发错误离散成随机的独立错误 而得至l j - n 正。这种用交织构造出来的编码方法称为交织编码。 交织的原理如下：如果首先把信息编码成为纠错能力为t ( 或 纠突发错误能力为b ) 的( n ，k ) 分组码，再将它们排列成如下所 示的阵列： c m lc m 2 c h 图3交织矩阵 其中每行是( n ，k ) 码的一个码字，设共有i l l 行，这样构成的码阵 就是( m r l ，n k ) 交织码的一个码字，m 为交织度。传输时，则按列 的顺序自左至右读出，此时系列变为： c 1 l c2 i c m l c l 2 c 2 2 c m 2 c 1 月c 2 c m 第二章抗干扰通信与编码技术 在接收端，将上述过程逆向重复，即把收到的序列按列写入存储 器，再按行读出，就恢复成原来的( n ，k ) 分组码。 若行码能纠正t 个随机错误( 或纠b 个突发错误) ，则 ( m n ，m k ) 交织码能纠正所有长度不大于m t 的单个突发错误( 或 长度不大于m b 的单个突发错误) ，或者能纠正t 个长度不大于m 的突发错误。由此可见，交织编码实质上是一种时间扩散技术， 它把信道错误的相关性减小。当交织度足够大时，突发错误离散 成随机错误，进而被分组码纠正。但m 越大，传输时延越长。 利用交织码改进错误的大小，除了与信道差错特性有关外， 还与行码的纠错能力、交织码长n m 有关，也就是与传送信息的 时延时间有关。 第三章系统设计 第三章系统设计 3 1 系统总体结构 整个系统是用扩频技术传输多媒体信息的无线数据通信系 统，系统的总体结构如下： 图4 系统总体框图 下面对信号处理与传输链路的各单元做简要介绍： l 、扩频无线传输设备 它将数字基带信号进行扩频调制解调、中频放大，最后变换 为适合在无线信道中传输的信号。根据系统需要，它应满足如下 要求： ( 1 )有较高的数据传送速率； 第三章系统设计 ( 2 )有较远的传输距离； ( 3 )能对数据协议透明运作； ( 4 )能支持多种接口； ( j )具有较高的接收灵敏度： ( 6 )具有较高的系统处理增益。 由于实验室经费、人员的限制，我们决定选用c y l i n k 公司 的a i r l i n k 3 8 4 s 扩频无线调制解调器作为系统的无线传输设备。 该设备采用直接序列扩频技术，射频为s 波段2 4 2 4 8 3 5 g h z ； 全双工同步数据速率从1 2 k b p s 到2 0 4 8 m b p s ，最远传输距离可 达j o 公里，支持r s 一2 3 2 ，v 1 1 ( v 3 5 ) 和r s 4 2 2 ( e i a 一5 3 0 ) 等多种 接口；接收灵敏度达一9 8 d b m ，系统处理增益达2 7 d b 。实验证明， 该产品能充分满足系统性能要求。 2 、复用器 复用器的作用是将多种媒体如语音、数据、图象、图文及其 它多路信息进行处理，复用成一路高速数据流，送到无线调制解 调器的输入口。 3 、加密编解码器 由于无线信道的传播衰落特性，我们必须对要传输的数据进 行预处理，使其能在恶劣的信道环境下，仍能维持较低的误码率， 并具有较好的保密性能。 本文着重对加密编解器部分进行了深入地设计研究，它具有 如下特点： ( 1 )采用强纠错手段编解码与交织技术，具有优良的纠错 性能； ( 2 )采用伪随机序列加密及序列置换技术，保密性高； 第三章系统设计 ( 3 ) 数据传输速率软件可调，可达8 0 0 k b p s ： ( 4 ) 具有两个全双工数据传输接口； ( 5 ) 可直接置于计算机中，灵活方便，节省空间： ( 6 ) 与微机总线直接接口，能进行大容量、高速地数据传 送，减少了处理时延。 3 2 加密与编解码算法 本论文的加密纠错编解码系统是在具有纠错能力的的私钥体 制一一m c 分组加密纠错体制的基础上进行改进而成的，采用一 般的线性分组码码型，加密算法描述为：c ：( m g + z ) p 。其中， m 是明文序列，g 是线性分组码的生成矩阵，z 是一个二进制伪 随机序列，p 是置换矩阵。密文c 经信道传输，在接收端变成 r = c + e ( e 为信道的错误图样) 后，解密算法为先右乘p 的逆 阵并模二加z 序列，再进行译码得明文m 。 一、加密与编码部分原理与结构 设计中，采用( 2 4 ，1 2 ，8 ) 扩展o o l a y 码，它由( 2 3 ，1 2 ， 7