全相位单通道混合LDPC码识别安全跟踪算法

1、全相位单通道混合 LDPC 码识别安全跟踪算法摘 要： LDPC 码识别和安全跟踪是自适应调制编码 技术研究的核心。在此提出一种基于全相位单通道混合的 LDPC 码识别安全跟踪算法，构建 LDPC 码识别模型，设计 全相位单通道混合编码技术。采用相空间重构技术对 LDPC 码进行多维空间向量重组，通过信宿译码降低加密信息的带 宽占用率，同时减小了对编码向量分配的限制，通过全相位 单通道混合补偿，降低码间干扰，提高 LDPC 码识别能力。 仿真实验表明，该算法具有较好的 LDPC 码输出空间增益响 应，提高了 LDPC 码的识别安全跟踪性能，输出误差较小， 误码率较低，在自适应调制编码通信等领域

2、具有较高的应用 价值。关键词： LDPC 码； 码识别； 安全跟踪； 数据通信 中图分类号： TN929.5?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）08?0031?04LDPC code recognition security tracking algorithm based onwhole phase single channel admixtureLIU En?qiang1 ， LIU Zeng?liang2 ， SUN Zhen1 （ 1. School of Automation and Electrical Engineering ，University

3、 of Science and Technology Beijing ， Beijing 100083， China；2. National Defense University of PLA ， Beijing 100091 ， China)Abstract ： LDPC code recognition and security tracking are the cores of adaptive modulation and coding technology. A LDPC code recognition security tracking algorithm based on wh

4、ole phase single channel admixture is proposed ， LDPC code recognition model is constructed ， and all?phase single channel mixed coding technology is proposed in this paper. The phase space reconstruction technique is used for multi?dimensional space vector recombinant of LDPC code. While the bandwi

5、dth occupancy rate of encryption information is reduced by the sink decoding ， the coding vector distribution restriction is reduced. With the all?phase of single channel mixed compensation ， inter symbol interference is reduced and the LDPC code recognition ability is improved. Simulation results s

6、how that the algorithm has better spatial gain response of LDPC code output， little output error and low error rate. Therefore ， the recognition security tracking performance of LDPC code is improved. It has a higher application value in the fields of adaptive modulation and coding communication.tra

7、cking ； data communication0 引言随着自适应调制编码技术 ( ACM )的成熟与发展， LDPC ( Low?Density Parity?Check )编码识别技术受到人们的广发 关注。低密度奇偶校验码 LDPC 是由 Gallager 在 1963 年提 出的一类具有稀疏校验矩阵的线性分组码。它具有描述和实 现简单，编译方便， 实用性强等特点， 特别适合于硬件实现。 因此 LDPC 码具有巨大的应用潜力， 在深空通信、 光纤通信、 卫星数字视频、数字水印、磁 /光 /全息存储、雷达目标识别 和密码通信等领域具有广阔的应用空间。由于 LDPC 码具有 稀疏校验矩阵的

8、分组纠错码，几乎适用于所有的信道，研究 LDPC 码的识别和安全跟踪算法成为近年来通信与信息系统 专家研究的重点话题 1 。从通信系统角度讲，在通信中主要注重两个情况：一是 通信系统的通信质量，如何能够在较短的时间内将发送信息 者所需要发送的内容及时准确地发送到接收信息者的手中； 二是通信的保密性能，在通信中涉及秘密事项时，对通信保 密性能的要求是很高的。 LDPC 码的识别和安全跟踪能有效 满足上述要求，通过设计有效的 LDPC 码的识别安全跟踪算 法，提高数据通信质量 2 。传统方法中，对 LDPC 码的识别 安全跟踪研究集中于基于正交频率集合编码和基于神经网络系统的 LDPC 码识别跟踪

9、算法 3 。文献 4中提出一种基于正交频率集合的编码方法，通过在编码过程中设计16 种不同初始相位的码型，并正交编码，使得在解码中各自信道的 码型各不相关，此方法抗干扰性能也较差，面对不同移动条 件下的相位抖动对系统通信信噪比影响较大。 文献 5提出基 于 LDPC 码的最小连通集特性分析， 实现对 LDPC 码的识别， 并建立集合间的连通索引函数，进行编码过程中的索引，通 过码型预失真算法对所有码型进行抗干扰设计，然而算法具 有计算量大，实现困难等缺点 6 。针对上述问题，本文提出 一种基于全相位单通道混合的 LDPC 码识别安全跟踪算法， 首先进行 LDPC 编码和识别总体模型构建，设计编

10、码算法和 LDPC 码识别的安全跟踪算法，通过全相位单通道混合滤波 器设计，提高数据安全跟踪性能，仿真实验验证了算法的优 越性。 1 LDPC 码识别模型由于编码问题描述1.1 LDPC 码识别模型构建 本文主要针对信道编码的识别问题进行分析，在 AMC 技术中，为适应时变信道不断变化的信道质量，常常利用控 制信道来传递调制和编码的参数信息。随着 LDPC 码应用的 日趋广泛，可以有效地对 LDPC 码进行识，提高自适应调制 编码性能。利用 LDPC 编码对系统参数的敏感性、私密参数 的统计特性和 LDPC 编码的遍历特性， 本文构建 LDPC 码识 别模型，针对不同信道的不同衰落特性和信道冲

11、击响应特 性，设计不同编码的预失真算法， 使得在实际信道中传输时， 码型的失真特性刚好与信道的衰落特性，冲击响应形成匹配 滤波，从而达到最大信噪比输出。 LDPC 编码识别过程中的 码字结构示意图如图 1 所所示。从图 1可见， LDPC 编码码字结构是多个 LDPC 字符序 列进行编码，本文引入混沌映射概念，可以将混沌映射进行 扩展来完成对序列的编码，其表达式为：f (x) =x/P1 , x 11 (X-P1) P2, x 12 . x-i=1n-IPiPn ,x In (1)式中：Pi (i=1 , 2,，n)表示序列中每种符号出现 的概率， 而区间 Ii 表示累积概率区间。 采用相空间

12、重构技术 对LDPC码进行多维空间向量重组，求得维数为N x m子空间矩阵 X ，得到 LDPC 码识别相空间中分布矩阵为：X=x1x2?x3=aT1c1aT1c2 aT1cmaT2c1aT2c2 aT2cm?aTNc1aTNc2?aTNcm (2)LDPC码信息流的相空间重构轨迹矩阵L和最佳嵌入维数m通过平均互信息法求得，通过参数p来得到编码序列映射，当p=0.5时，该映射为标准混沌序列映射。每个算 法编码码元的分布概率计算式为：li=j=1i-1Pj , j=1iPj ,i=2, 3,，n (3)假设LDPC码识别系统存储节点空间SN为s1 , s2,sN，数据元素和校验元素中n个存储节点

13、的权重分别为w1 , w2，wn，在相空间中得到算术编码信息熵的逆变换，实现对 LDPC 码识别模型构建。1.2 全相位单通道混合编码技术为了实现对 LDPC 码识别和安全跟踪，需要进行全相位 单通道混合编码技术设计，求得维数为N x m子空间矩阵X ，得到基于混沌映射的算术编码在单通道通信系统中的循 环反向位移函数：f-1 (x) =P1xP2x+P1 Pnx+i=1n-1Pi (4) 校验向量采用反函数进行算术编码，该系统是一个多输 入/多输出系统，假设网络终设备数量为m，在这m个终端上进行数据测试。根据信源熵理论，一般信源编码符号 si 的自信息量为 -log2(P(si) ，得到 LD

14、PC 码的全相位势 能函数为：H=-i=1nPilog2 ( Pi) ( 5)采用混沌映射相空间边缘积分特征构建多维向量模型为：Xn=Xn , Xn- t , Xn-2 t ,，Xn- (d-1) t (6)LDPC 码的全相位单通道预失真数据流定义为：EVB1=1+i=0 g pi (1-p) iN=1+pN1 -p(7)式中：pi为待编码LDPC的数据指数，对码型预失真的码型结构进行分析，该分析的码型预失真结构可表示为：EVB2=1+i=0 gp2i+1(1-p)i(N+m)+m(8)由此得到 LDPC 码的全相位单通道混合编码失真结果可由式（ 9）求得：n 2=aa+b?EMA+EMBE

15、VA+EVB+ cc+d?1-pp+11-pp+1+pm1+p+p2 （ m+N ） 1-p2 （9）式中：a为LDPC码型预失真的码型预失真因子；b为LDPC码的混合编码尺度因子；c为LDPC码型的全相位 通道加权，通过最小连通集的连通索引函数，将各个划分的 集合有效联合，实现对 LDPC 码识别过程中的全相位单通道 混合编码。2 LDPC 码识别安全跟踪算法实现 为改善在自适应调制编码技术过程中的安全性和隐私 性，发送端在前向纠错编码时，需要进行分组重传。在上述 进行全相位单通道混合编码方法的基础上，提出一种码识别 安全跟踪算法。通过对编码码型的预失真提取，实现与信道 的最佳响应特性匹配，

16、从而使得输出信噪比最大。采用椭圆 曲线算法预测方法，得到码元到达时发送窗口内已经传输的 码元分组数为 m。假设采用有向图G=（ V，E，W）表示 LDPC码的链路结构，则当N为偶数时，N2m N;当N为奇数时，（N-1 ） 2m N。对于节点u和v,如果（u, v） E，则称有向链路节点 u与v相邻；在全相位单通道混 合模型中,定义节点 v 的输出链路集合为：r ov=e Etaile=v (10) 式中：r ov为非结构化LDPC码通信网络节点v的空间增益度，对每一个邻接信道配对，进行线性模值加权，得到信道对d , e的标量序列为kd , e，通过计算得到信源节 点接收到的消息解码出信源的输

17、入消息信道e对应一个3维列向量，定义全局编码核函数为：fe=d r ITkd , efd (11)信源发送 n 个长度为 N-1 的消息量，采用随机数生成器 构建 Rossler 扰动搜索数据矩阵，在全相位单通道滤波系统 中，对LDPC码进行噪声抑制，输出hi( t) *hi (-t) 的主峰相对较高，其幅值度相对于旁瓣来说比较突出，这时 有：hi(t) *hi (-t) ?hi(t) *hi (-t) ?8 (t) (12)为了提高对 LDPC 码识别能力，本文定义最大偏差比判 决器，提高识别算法效率， 判决器系统传输函数为：h(t) =i=lMhi (t) *hi (-t) (13)在全相

18、位单通道混合信道模型中，接收到的消息解码可 用反解码信道表示，解码信道与p (t)的自相关的卷积得到 对应的等效反冲击函数应为：H (t) =h (t ) *p (t ) *p (-t)= (i=1Mhi (t ) *hi(-t *p(t *p(-t (14通过信宿译码降低加密信息的带宽占用率，同时减小了对编码向量分配的限制，当p (t)的自相关幅度的峰值突出时，对应有：p (t) *p (-t) ?8 (t) (15)将经过 QAM 调制的数据向量 X 分割为 V 个互不重叠的 子序列Xv , v=1 , 2,，V，当系统子载波调制阶数较 低和子载波数较小时，适当的加权系数 bv ，使其满足

19、：b1 , b2,，bv=argminb1 , b2,，bv (maxi n Nv=1Vbv?xv2 ) (16)以此为基础，再通过运用随机数B 1 B 2- p n分别恢复 出信源的 n 个原始消息向量。可以利用偏差比特性对编码方 式进行识别。在改进的全相位单通道混合链路模型中，奇数 次重传2i+1的分组长度为i ( N+m ) +m，偶数次重传2i 的分组长度为i ( N+m)，可见，在应对高码率 LDPC码识 别安全跟踪问题时，h (t)与p (t) *p (-t)近似于8 (t) 的关联程度，从而降低了码间干扰，提高通信性能。通过全 相位单通道混合补偿，得到每个多径分量周期内的每一个码

20、 间干扰采样值之间都是不相关的，系统工作在准线性区域的 条件是Flip?OFDM 信号满足x|x Vmax时，动态补偿算 法的限幅噪声可近似为：p2clip -Vmax- (x +Vmax ) 2p (x ) dx (17 ) 由此实现算法改进，提高了对高码率 LDPC 码识别安全 跟踪性能。3 仿真实验与结果分析为了测试本文算法的性能，进行仿真实验。仿真系统LDPC码发射阵元位于分布初始间隔为30 m ,采用100个接收阵元组成的垂直线列阵分布于复杂通信背景中，空间距离 为3039 m，阵元间距为1 m,通信距离为2 km ;多径扩展 时间接近100 ms，子载波采用32?QAM调制，子载波

21、数分别 为 32 和 256。空间采用间隔采用 4 倍过采样， 得到 LDPC 码 在不同数据长度下的全相位单通道混合编码输出特征响应 如图 2 所示。从图可见，采用本文算法，通过相位单通道混 合编码， LDPC 码具有较好的输出空间增益响应，增益特征 明显。将 LDPC 码通信信号的频率降到 0 频率附近，并获得 信号的相位信息，通过较高的空间增益提高 LDPC 码的识别 安全跟踪性能。以此为基础，进行 LDPC 码识别仿真，实现 LDPC 码的 安全跟踪，通过延时 5 个采样点，信噪比为 -10 dB ，选取权 值个数M=20,步长卩=0.005,当V=8 ,W=2时，得到LDPC 码的安全跟踪输出和误差分析结果如图 3 所示。进一步，采用本文算法和传统算法，通过分析识别正确 率随信噪比变化的结果，对比算法性能，得到仿真结果如图 4 所示。分析图 3 和图 4 结果可知，采用本文算法，具有较 高的 LDPC 码识别性能，通过 LDPC 码正确识别， LDPC 码 的安全跟踪测量输出和计算输出能准确匹配，误差较小，数 据包传输的误码率随着步长的增长而降低，在不同的信噪比 下，本文算法具有较低的误