信道編碼及其識別分析

前言

信息論、信道編碼和密碼學(xué)是現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)中的三大核心支柱技術(shù)，目前信道編碼已成為從事通信、計算機(jī)等領(lǐng)域中有關(guān)人員必須了解和掌握的一門技術(shù)。正如自然界的五行相生相克關(guān)系一樣，信道編碼中的獨特結(jié)構(gòu)在成就其優(yōu)異性能的同時也留下了可以對其進(jìn)行識別分析的特征。對信道編碼進(jìn)行識別分析，除了在智能通信、通信偵察領(lǐng)域具有基礎(chǔ)性的意義外；在網(wǎng)絡(luò)對抗領(lǐng)域同樣具有重要意義，尤其當(dāng)對方網(wǎng)絡(luò)信源和通信協(xié)議被加密時，從信道編碼結(jié)構(gòu)上進(jìn)行攻擊是可供選擇的有限手段之一。經(jīng)過半個多世紀(jì)的研究發(fā)展，國內(nèi)外對信道編碼進(jìn)行討論的相關(guān)專業(yè)書籍已經(jīng)非常豐富，但是卻尚未見到專門討論信道編碼識別方面的書籍。有鑒于此，考慮到初入此門時的窘迫和茫然，2009年年底作者開始考慮規(guī)劃一本關(guān)于信道編碼識別分析方面的專業(yè)書籍。有幸的是，在作者單位領(lǐng)導(dǎo)和同事們的關(guān)心支持下，今天這本書終于面世了。在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，本書第一次系統(tǒng)完整地對信道編碼（包括糾錯碼、交織、擾碼）識別提出了一攬子解決方案，同時對數(shù)據(jù)的隨機(jī)性也進(jìn)行了相應(yīng)討論，其中不少內(nèi)容屬于作者研究的獨得之秘，并已申請了多項發(fā)明專利。敝帚雖微亦自珍，現(xiàn)在作者不揣自陋將之小心翼翼地拿出來，希望對相關(guān)領(lǐng)域的研究人員能夠起到一定的參考作用，假使本書能為推動我國通信技術(shù)向深入發(fā)展獻(xiàn)綿薄之力的話，作者將感到非常榮幸，功不唐捐。本書適用于對信道編碼識別感興趣，并有一定信道編碼基礎(chǔ)的專業(yè)研究人員。本著“辨邏輯，晰條理，貴淺近，多舉例，重實用”的原則，全書盡量不涉及較為晦澀的編譯碼理論知識，力圖用較為明白易懂的語言來表達(dá)內(nèi)涵豐富的信道編碼識別技術(shù)。對于教材文獻(xiàn)中的一般性結(jié)論，書中一般直接加以引用不予證明。全書共分八章，除第1章概述和第8章總結(jié)部分外，其余各章均首先介紹與識別分析相關(guān)的編碼知識，然后討論具體的編碼識別分析方法，最后為全章小結(jié)。各章內(nèi)容如下：第1章為概述，對信道編碼（包括糾錯碼、交織、擾碼）及數(shù)據(jù)隨機(jī)性進(jìn)行了簡要介紹，在總結(jié)信道編碼識別分析技術(shù)研究現(xiàn)狀后討論了一些簡單實用的信道編碼識別及驗證方法。第2章討論分組碼的識別分析技術(shù)，介紹了多種二進(jìn)制線性分組碼（包括Hamming碼、Golay碼、CRC碼、BCH碼及部分LDPC系統(tǒng)碼）的識別分析方法和RS碼的識別分析方法。第3章討論卷積碼的識別分析技術(shù)，這是目前信道編碼識別分析領(lǐng)域中研究最多的一種碼型，本章在介紹多種卷積碼識別分析方法的基礎(chǔ)上，深入討論了型刪余卷積碼的識別分析方法。第4章在前面糾錯碼識別分析技術(shù)討論的基礎(chǔ)上，主要討論了分組交織和卷積交織的識別分析問題，其中分組交織分“線性分組碼＋分組交織”和“卷積碼＋分組交織”兩種模式。第5章在糾錯碼和交織識別分析技術(shù)的基礎(chǔ)上，對非歸零和歸零兩種形式的Turbo碼（包括刪余Turbo碼）的識別分析方法分別給予了討論。第6章主要從流密碼分析的角度，基于信源非平衡的特點，通過引入指示平衡性的指標(biāo)討論了自同步擾碼和同步擾碼的識別分析技術(shù)。第7章主要介紹了一些對數(shù)據(jù)序列進(jìn)行隨機(jī)性檢測的方法，用于對通信數(shù)據(jù)的加密情況和統(tǒng)計特性進(jìn)行進(jìn)一步的分析。第8章為全書的總結(jié)討論部分，在對信道編碼識別的應(yīng)用予以介紹后，討論了一些信道編碼識別分析領(lǐng)域有待繼續(xù)深入研究的內(nèi)容。各章中用于說明信道編碼識別分析方法的實例均經(jīng)作者仿真驗證通過。本書主要由張永光同志負(fù)責(zé)撰寫，樓才義同志負(fù)責(zé)全書的統(tǒng)籌并作了重要補(bǔ)充，楊小牛同志對全書進(jìn)行了詳細(xì)的審閱和定稿，并作序。在這里，對研究過程中給予作者支持和幫助的單位同事（特別是陸輝同志）深表感謝，同時也要特別感謝撰寫過程中身懷六甲的拙荊洪瑤女士對作者工作的大力支持，因此這本書也可說是和我們呼呼共同成長的。最后對百忙之中為本書提出寶貴修改意見的空軍某部的陳國杰老師致以深深謝意。

內(nèi)容概要

本書對信道編碼(包括分組碼、卷積碼、Turbo碼、交織及擾碼)的識別問題進(jìn)行了系統(tǒng)完整的討論，并將識別范圍拓展到了TPC碼、TCM網(wǎng)格編碼調(diào)制及空時編碼，同時對數(shù)據(jù)的隨機(jī)性分析也給予了相應(yīng)介紹。全書條理清楚，取材新穎，內(nèi)容上不僅包括適量而不累贅的相關(guān)編譯碼先驗知識及編碼識別基礎(chǔ)理論，同時又緊扣編碼識別主題，重點討論具體的編碼識別分析方法。    本書可作為通信、計算機(jī)等領(lǐng)域中從事信道編碼相關(guān)工作的研究人員，特別是廣大通信偵察、通信對抗及智能通信領(lǐng)域的相關(guān)研究人員的參考書，也可作為相關(guān)專業(yè)高年級本科生和研究生的教材或參考書。

書籍目錄

第1章  概述  1.1  信道編碼介紹    1.1.1  信道編碼基礎(chǔ)    1.1.2  糾錯碼    1.1.3  交織    1.1.4  擾碼    1.1.5  信道編碼應(yīng)用及性能比較  1.2  信道編碼識別分析    1.2.1  所要解決的問題    1.2.2  研究現(xiàn)狀    1.2.3  簡單識別法及識別驗證  1.3  本章小結(jié)  本章參考文獻(xiàn)第2章  分組碼識別分析  2.1  分組碼介紹    2.1.1  線性分組碼    2.1.2  循環(huán)碼    2.1.3  BCH碼及RS碼  2.2  二進(jìn)制線性分組碼識別分析    2.2.1  高斯法解方程    2.2.2  碼重分析法    2.2.3  Walsh-Hadamard分析法    2.2.4  綜合分析法    2.2.5  線性矩陣分析法  2.3  RS碼識別分析    2.3.1  一種碼譜分析法    2.3.2  線性矩陣分析法  2.4  容錯分析  2.5  本章小結(jié)  本章參考文獻(xiàn)第3章  卷積碼識別分析  3.1  卷積碼介紹    3.1.1  卷積碼概述    3.1.2  卷積碼的矩陣描述  3.2  卷積碼識別分析    3.2.1  高斯法解方程    3.2.2  Walsh-Hadamard分析法    3.2.3  基于BM的快速合沖法    3.2.4  歐幾里德識別法    3.2.5  綜合分析法    3.2.6  線性矩陣分析法    3.2.7  容錯分析  3.3  刪余卷積碼的識別分析    3.3.1  定性識別法    3.3.2  刪余卷積碼識別基礎(chǔ)    3.3.3  基于校驗矩陣的識別    3.3.4  一些改進(jìn)    3.3.5  一種生成矩陣相關(guān)法  3.4  本章小結(jié)  本章參考文獻(xiàn)第4章  交織識別分析  4.1  交織介紹  4.2  分組交織的識別分析    4.2.1  二進(jìn)制線性分組碼＋分組交織    4.2.2  卷積碼＋分組交織  4.3  卷積交織的識別分析  4.4  本章小結(jié)  本章參考文獻(xiàn)第5章  Turbo碼識別分析  5.1  Turbo碼介紹    5.1.1  Turbo碼的排列及Turbo乘積碼    5.1.2  Turbo碼識別分析對象  5.2  Turbo碼的識別分析    5.2.1  RSC分析模型    5.2.2  RSC的識別及交織分析初步    5.2.3  Turbo碼中的交織關(guān)系分析    5.2.4  Turbo碼中的卷積碼＋交織  5.3  刪余Turbo碼的識別分析    5.3.1  非歸零刪余Turbo碼的分析    5.3.2  歸零刪余Turbo碼的分析  5.4  本章小結(jié)  本章參考文獻(xiàn)第6章  擾碼識別分析  6.1  流密碼與擾碼    6.1.1  流密碼介紹    6.1.2  擾碼介紹    6.1.3  擾碼分析  6.2  本原多項式    6.2.1  本原多項式及其求取    6.2.2  m序列及其性質(zhì)  6.3  Walsh-Hadamard分析法  6.4  特殊情況下的識別分析    6.4.1  BM算法    6.4.2  二元域上任意多項式的分解    6.4.3  擾碼識別應(yīng)用  6.5  征服攻擊法    6.5.1  同步擾碼的識別    6.5.2  自同步擾碼的識別  6.6  基于統(tǒng)計特性的分析    6.6.1  基于m序列統(tǒng)計特性的分析    6.6.2  比特相關(guān)檢測法    6.6.3  組合枚舉求優(yōu)勢法  6.7  差分和采樣攻擊法    6.7.1  特殊明文時的差分分析    6.7.2  采樣攻擊  6.8  基于糾錯碼的快速相關(guān)攻擊    6.8.1  相關(guān)攻擊與糾錯碼    6.8.2  基于卷積碼的快速相關(guān)攻擊  6.9  擾碼識別法在糾錯碼識別中的應(yīng)用  6.10  本章小結(jié)  本章參考文獻(xiàn)第7章  數(shù)據(jù)隨機(jī)性分析  7.1  數(shù)據(jù)隨機(jī)性    7.1.1  隨機(jī)性    7.1.2  概率基礎(chǔ)  7.2  NIST隨機(jī)性檢測    7.2.1  頻率檢測    7.2.2  游程檢測    7.2.3  壓縮程度檢測    7.2.4  二元矩陣秩檢測    7.2.5  離散傅里葉變換檢測    7.2.6  線性復(fù)雜度檢測    7.2.7  累積和檢測    7.2.8  關(guān)于偏移變換的檢測    7.2.9  一些討論  7.3  其他隨機(jī)性檢測方法  7.4  分組密碼的隨機(jī)性檢測    7.4.1  隨機(jī)性檢測    7.4.2  擴(kuò)散性檢測    7.4.3  密鑰更換有效性檢測  7.5  本章小結(jié)  本章參考文獻(xiàn)第8章  總結(jié)與發(fā)展  8.1  信道編碼的聯(lián)合應(yīng)用  8.2  信道編碼識別的應(yīng)用舉例    8.2.1  智能通信領(lǐng)域    8.2.2  通信偵察領(lǐng)域  8.3  挑戰(zhàn)與發(fā)展  8.4  一些思考  本章參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：作為一種具有稀疏校驗矩陣的線性分組糾錯碼，LDPC碼具有接近Shannon極限的優(yōu)異性能，近年來在LDPC碼的構(gòu)造和譯碼方法上取得了一系列進(jìn)展，已經(jīng)被建議在第四代移動通信系統(tǒng)中使用。對于非系統(tǒng)形式的LDPC碼，其識別分析問題隨著非系統(tǒng)碼識別問題的解決自然會迎刃而解。其次，任意碼率刪余卷積碼的識別問題還有待進(jìn)一步研究。為了提高碼率且不使譯碼器的復(fù)雜性增加，刪余是一種常用手段。雖然本書已經(jīng)給出了關(guān)于刪余碼的一些定性識別分析方法，并且著重討論了基于1／2碼率的（n-1）／n型刪余卷積碼的識別問題，但是對任意碼率進(jìn)行有效刪余得到的刪余卷積碼如何進(jìn)行識別，目前仍然有待開拓。另外，如何快速可靠地對交織置換關(guān)系進(jìn)行分析尚待深入。雖然本書比較系統(tǒng)全面地討論了常見的糾錯碼+交織模式和Turbo碼中交織（與糾錯碼無關(guān)）的識別問題。但是對于糾錯碼+交織模式中交織置換關(guān)系的分析，本書所述方法仍顯笨拙，有時需要進(jìn)行多次猜測和驗證才能最終確定交織關(guān)系。如何在已經(jīng)確定交織起點和交織長度的情況下快速完成交織置換關(guān)系的分析，需要另辟蹊徑。隨機(jī)交織器是興起不久的一種交織器，在隨機(jī)交織器的每個交織幀數(shù)據(jù)中，交織器對信息序列以隨機(jī)方式將其重新排列，生成索引數(shù)組，然后以索引數(shù)組中的隨機(jī)數(shù)據(jù)所指示的順序輸出。由于隨機(jī)交織器每交織幀數(shù)據(jù)中置換關(guān)系的非固定性，雖然可以通過對交織器控制信息進(jìn)行分析來獲得隨機(jī)交織的先驗知識，但是如何在全盲情況下對隨機(jī)交織進(jìn)行識別分析顯然非常棘手，必須建立在對交織器隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方法的充分研究上。

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