基于Knuth码的联合信道与安全编译码设计方法
【专利摘要】本发明是基于Knuth码的联合信道与安全编译码设计方法，针对常规Knuth编码码流不具备加密功能的问题，设计了一种基于密钥控制的随机Knuth编码方法，该方法将随机二进制数和经典Knuth编码器相关联。首先，采用密钥Key产生一个随机二进制数b＝f(Key)，其中f(·)为产生随机二进制数函数；其次，对输入的待编码矢量u和二进制数b，用b确定搜索最小平衡位置j的方向(b＝0，前向搜索；b＝1，后向搜索)，输出最小平衡位置索引j和部分取反操作向量u(j)，即u(j)＝v(u，b)，其中v(，·，)为部分取反操作函数；最后，在u(j)后面加上位置索引j的平衡编码序列j2，得到输出码流符号表示两个二进制序列的结连。解码时，接收端采用与编码端相同的Key和随机函数f(·)，产生随机二进制数b，然后将收到序列分割为数据序列u(j)和校验序列j2，再通过查表获得最小平衡位置点j，最后进行部分反转操作获得正确的比特序列u。
【专利说明】基于Knuth码的联合信道与安全编译码设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及Knuth码,也称为平衡码(Balanced Codes)编码码流的一种联合信道与安全编解码器设计方法，主要涉及具有码流检错和加密功能的随机Knuth码设计方法。
【背景技术】
[0002]为了在有噪信道上进行可靠传输，需要克服信道中的噪声和干扰。信道编码(Channel Coding)或称前向纠错编码(Forward Error Correction, FEC),根据一定的准则在待发送的信息码元中加入必要的校验码元，接收端利用校验码元与信息码元之间的编码准则，检测和纠正差错，提高信息码元传输的可靠性。研究信道编码的目标是利用最少的校验码元，获得较高的可靠性传输，即在保证传输可靠性的前提下，尽量提高编码效率。Knuth码是斯坦福大学著名学者Donald Ε.Knuth于1986年在文章《Efficient Balanced Codes))中提出的一种具有检错功能的信道编码方案。该码要求码字中符号“I”和符号“O”的个数相同，因此，也称为平衡码(Balanced Codes)。
[0003]该码的主要参数为:信息比特数为k,检验比特数为r,码长n = k+r,共有2k个码字，每个码字中符号“I”的个数(或称Hamming重量)为L^2」，其中L.」为下取整函数。Knuth码编码简单，且结构特性良好，具有广泛的应用。可用于检测所有的单向错误(符号“I”错为符号“0”，或 反过来)，对延时不敏感异步空间通信，超大规模集成电路(Very LargeScale Integration, VLSI)系统降噪,光盘数据存储等。传统Knuth码编码器框图如图1所
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[0004]在Knuth的开创性文章中，提出了一种简单的并行编码方案(Parallel CodingScheme)。设输入信息向量为u,其长度为k, u(j) = v(u)表示向量u前j比特取反后的向量，v(.)为部分反转操作函数,其中j = 1,2,..., ko Knuth证明了对所有输入向量u,至少存在一个平衡位置点」，使1^_)的Hamming重量为μ/2」，ΒΡιι?)是平衡的。为传输和编码方便，选择最小值j作为u的平衡位置点。为了对位置索引j进行平衡编码，Knuth编码方案需要在索引j与r比特的平衡序列j2之间建立一一映射关系表(j = 0,1,…，k-1)。获得最小值j后，通过查表得到对应的r比特平衡序列j2。最后输出信息向量u的Knuth编码C = A，符号?表示两个二进制序列的结连。解码时，解码器将接收矢量c分割为k比特数据向量ιι?)和r比特检验向量j2，采用查表方式获得最小平衡位置点j，然后取反11(1的前j比特，则可获得发送信息向量U。
[0005]例如，设信息长度k = 10，校验比特数r = 6，u = 0111010110，则u(3)=1001010110，平衡位置点有3个，分别为j = 3，5，7，选择最小值j = 3进行编码。设索引3对应的6比特平衡序列为j2 = 011001，最后输出编码码流为c = =励1010110011001。在接收端，解码器首先从接收向量中分别提取10比特数据向量u(3) = 1001010110和6比特校验向量j2 = 011001，然后查表获得该校验向量对应的最小平衡位置为3，最后将u(3)=1001010110的前3位取反，获得原输入信息向量u = 0111010110。
[0006]从编码器框图1可以看出，Knuth编码主要由四个部件组成，该码流不具备加密功能，在信道(特别是无线信道)上传输容易泄密。为获得加密码流，本发明基于Knuth码具有良好结构的特点，对传统Knuth码编码器的最小位置平衡点的搜索方向进行随机化处理，如图2所示，从而获得加密码流。
【发明内容】
[0007]为了解决经典Knuth码流不具备加密功能的问题，本发明设计了一种基于密钥控制的随机编码方法，实现了 Knuth码流的检错和加密功能。
[0008]本发明解决技术问题所采用的技术方案是:以密钥Key为种子，产生一个随机二进制数b。该二进数用于控制Knuth编码器的平衡位置点搜索方向:若b = 0，与经典Knuth编码器搜索方向相同，即前向搜索输入信息序列的平衡位置点；反之，若b = 1，与经典Knuth编码器搜索方向相反，即后向搜索输入信息序列的平衡位置点。经过新设计的编码器编码后，输出码流具有加密功能。
[0009]在接收端，解码器首先从接收矢量中分割出k比特数据向量uu)和r比特检验向量戈，通过查表方式获得最小平衡位置点j ;然后，采用与编码端相同的密钥Key产生随机二进制数b，确定正确的取反方向；最后，将数据向量!!^进行部分取反获得正确信息序列。
[0010]有益效果是，本发明设计的随机Knuth编码器，输出码流实现了检错和加密功能，将信道编码和数据加密融合成一个联合信道安全编码器，降低了分离的信道编码器和加密器的编码复杂度。进一步，若通过密钥Key为种子产生长度为N的随机二进制序列，将输入信息序列分为N组，每组长度为k，采用上述联合信道安全编码方法，可得到长度为NXn的加密Knuth码流，增强了数据的保密性。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1经典Knuth编码器模型
[0012]图中:1.最小平衡位置搜索器，2.位置索引编码器，3.二进制序列结连器，u为输入待编码的长度为k比特的信息序列，j为输入信息序列的最小平衡位置点，u(J)为k比特的平衡序列，J2为与j对应的r比特平衡序列，c为n = k+r比特的输出平衡序列。
[0013]图2修改后的随机Knuth编码器模型
[0014]图中:4.随机二进制数发生器，Key为输入密钥，b为模块4输出的随机二进制数。【具体实施方式】
[0015]本发明基于Knuth码的联合信道安全编解码器设计方法，主要分为编码码流的随机化和接收码流的解码，实现码流的检错、加密和解密功能。
[0016]1.随机Knuth编码器设计方法
[0017]分析经典Knut h编码器可知:如果编码器在搜索平衡点位置时，搜索方向是随机的，在传输时即使码流被截获，窃听者由于不能获得正确的搜索方向，从而不能获得正确的部分取反结果，进而实现了编码码流的保密性，本发明的随机Knuth编码器如图2所示。该编码系统由随机二进制数发生器和经典Knuth编码器组成，其输入为编码序列，输出为加密序列。本发明设计的随机Knuth编码器的具体实施方案如下。
[0018]首先输入密钥Key，由随机二进制数发生器模块4产生一个随机二进制数b。[0019]其次，将k比特信息序列U输入最小平衡位置搜索器模块1，模块I根据二进制数b确定的搜索方向，搜索序列u的最小平衡位置点j，输出最小值j和部分取反序列ιιω，将索引值j输入位置索引编码器模块2和ιιω输入二进制序列连接器模块3。
[0020]再次，模块2对索引j进行编码，输出r比特二进制平衡序列j2，并输入模块3。
[0021]最后，模块3将序列ιιω和j2结连成一个编码序列c = --)十Λ输出，其中φ表示两个二进制序列的结连。经过随机Knuth器输出的编码序列c具有检错和加密功能。 [0022]例如，设k = 10, r = 6,则n = k+r = 16。输入密钥Key产生的随机二进制数b=1，输入信息序列U = 0111010110。根据我们设计的随机Knuth编码器，后向搜索输出最小平衡位置点j = 3和部分取反序列u(3) = 0111010001，位置索引j = 3对应的平衡序列为J2 = 011001。最后，二进制序列结连器输出的Knuth码为C = Ww^z2=Oiiioioooioiiooi,这是长度为16比特的平衡码，这个编码序列与前面经典Knuth编码器输出序列不同。
[0023]2.码流解码方法设计
[0024]在通信系统的接收端收到序列后，经过下面四个步骤进行解码:首先，对接收序列进行分割，获得k比特数据序列Uu)和r比特校验序列j2 ;其次，使用与编码端相同的密钥，产生随机二进制数b (与编码端的b相同)；再次，由j2查表获得最小平衡位置点j ;最后，根据位置索引j和b确定的取反方向，对Uw部分取反获得信息序列U。
[0025]例如,设k = 10, r = 6,则n = k+r = 16。输入密钥Key产生的随机二进制数b =1，收到的数据序列为 C = 0111010001011001，分割得到 u(3) = 0111010001 和 j2 = 011001。查表得最小平衡位置点j = 3，对u(3) = 0111010001的后3位取反得正确信息序列u =0111010110。
[0026]另一方面，按照经典Knuth解码方案:对接收序列c = 0111010001011001进行分割得 u(3) = 0111010001 和 J2 = 011001。查表得最小平衡位置点 j = 3，对u(3) = 0111010001
的前3位取反得错误信息序列U = 1001010001。说明没有正确的密钥，不能获得正确解码序列，从而实现了码流的保密性。
【权利要求】
1.一种基于密钥控制的随机Knuth编解码设计方法，其特征是数据经过编码后，利用随机二进制数控制经典Knuth编码器，实现编码码流的检错和加密功能。
2.根据权利要求1所述的基于密钥控制的Knuth编解码器设计方法，其特征是:编码器与密钥控制的随机二进制数相关，采用密钥产生一个随机二进制数，将该数用于控制编码器输出，获得加密码流。
3.根据权利要求1所述的基于密钥控制的Knuth编解码器设计方法，其特征是:对解码端收到的码流，在解码时，由与编码端相同的密钥产生随机二进制数，然后根据该数值输出正确解码序列。
【文档编号】H03M7/12GK103944577SQ201310021196
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2013年1月22日 优先权日:2013年1月22日
【发明者】陈德元, 凃国防 申请人:中国科学院大学