基于超基性機制的5G網(wǎng)絡(luò)信道安全編碼方案

王瓊佩

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基于超基性機制的5G網(wǎng)絡(luò)信道安全編碼方案

王瓊佩

(安徽文達(dá)信息工程學(xué)院電子工程學(xué)院，安徽，合肥 231201)

為解決當(dāng)前5G信道安全編碼方案中存在的編碼復(fù)雜、傳輸性能較差及數(shù)據(jù)冗余度高的不足，提出了一種基于超基性機制的5G網(wǎng)絡(luò)信道安全編碼方案。首先，利用5G信道編碼過程中的極化序列具有的正交特性，通過模二運算和張量積運算來實現(xiàn)序列特征矢量的極化分割，有效降低5G信道編碼過程中冗余比特數(shù)量，高效調(diào)度傳輸序列，提升網(wǎng)絡(luò)信道安全編碼效率。隨后，考慮5G信道矯正比特序列具有的極化性質(zhì)，通過正交權(quán)向量映射方法，設(shè)計二次編碼極化方法，用于降低信道預(yù)發(fā)射過程中存在的冗余碼元數(shù)量，改善碼元擁塞現(xiàn)象，提高信道發(fā)射效率，具有較高的信道碼元基性極化率。仿真實驗表明：與當(dāng)前常用的時間片分支累積算法（Time Slice Branching Accumulation，TSB算法）、信道最低分割度編碼算法（Channel Minimum Segmentation Coding Algorithms，CMSC算法）相比，本文算法具有數(shù)據(jù)傳輸帶寬高、時間片誤比特數(shù)低、編碼速率快、周期重傳次數(shù)少等特性，具有很強的實踐部署價值。

5G網(wǎng)絡(luò)；信道安全編碼；超基性；極化序列；信道矯正比特；二次編碼極化

0 引言

5G技術(shù)作為前瞻性科技，目前已經(jīng)被納入了“中國制造2025”的規(guī)劃綱要并成為國家大力推廣的新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)之一[1]。由于5G通信具有超寬帶、高容量等特性，需要通過一定的編碼技術(shù)確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中具有安全性且保持合理的冗余，以便能夠高效滿足用戶體驗，提高數(shù)據(jù)使用質(zhì)量[2]。其中，網(wǎng)絡(luò)信道安全編碼技術(shù)作為一項集合安全-超寬帶傳輸特性的綜合解決方案，在5G通信技術(shù)的發(fā)展中得到了較多的關(guān)注，推動了5G通信技術(shù)在實踐中的大規(guī)模應(yīng)用[3]。

當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)信道安全編碼方案的研究主要集中于通過編碼的方式提高傳輸帶寬，并盡量降低信道噪聲對數(shù)據(jù)傳輸造成的不利影響。Nasreddine等[3]提出了一種基于超寬帶管控機制的5G網(wǎng)絡(luò)信道安全編碼方案，該方案主要立足于信源-信道交互過程中存在信號干涉的問題，通過將信道傳輸編碼正交化的方式，實現(xiàn)對信道噪聲的有效抑制，從而提高數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全系數(shù)；不過，該算法也存在對信道分割過細(xì)的問題，導(dǎo)致算法的傳輸速率受到一定程度的抑制。Hae等[4]提出了一種基于時間片累積機制的5G網(wǎng)絡(luò)信道安全編碼方案，該方案通過信道-信源交互的方式，將信道發(fā)射時間分割為維度正交的時間片，數(shù)據(jù)傳輸過程嚴(yán)格按照正交原則進(jìn)行匹配，能夠達(dá)到較高的數(shù)據(jù)傳輸速度，且編碼復(fù)雜度較低；不過，該算法存在實現(xiàn)過程復(fù)雜的不足，特別是當(dāng)信號處于干涉狀態(tài)時，算法的魯棒性將受到很大的影響，效率將呈現(xiàn)急劇下降的態(tài)勢。Sotirios等[5]提出了一種基于差分編碼技術(shù)的5G網(wǎng)絡(luò)信道安全編碼方案，主要通過時間片交錯傳輸?shù)姆绞綄崿F(xiàn)對相似頻率信道的二次分割，信道分割速度快，信號成型誤碼率低，具有很強的實際部署價值；不過，該算法實現(xiàn)過程中需要引入信道噪聲作為投影矢量，因此傳輸誤差度較高，難以實現(xiàn)超帶寬傳輸。

針對當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)信道安全編碼方案研究中存在的不足，提出了一種基于超基性機制的5G網(wǎng)絡(luò)信道安全編碼方案。算法首先針對5G信道編碼的極性因素進(jìn)行匹配分割，并采取模二運算和張量積運算兩種方式進(jìn)行特征矢量分割，大大降低5G信道編碼中因時間片累積效應(yīng)而產(chǎn)生的冗余比特數(shù)量，促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)編碼效率的提高。隨后，考慮到信道矯正比特序列具有的極性-非極性迭代特性，使用正交權(quán)向量映射的方式進(jìn)行二次編碼極化，有效提高編碼過程中信道碼元基性極化率，增強信道發(fā)射效率，改善超寬帶傳輸條件下的信道碰撞性能，提升網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量。最后通過MATLAB仿真實驗環(huán)境，證明本文算法的有效性。

1 本文5G網(wǎng)絡(luò)信道安全編碼設(shè)計

由于5G信道具有的抖動特性，因此信道編碼過程中需要充分考慮由此帶來的安全問題，以便數(shù)據(jù)傳輸過程中能夠以較為安全的形勢進(jìn)行傳輸。為此，本文引入極性-非極性編碼交替編碼的方式，利用編碼具有的極性特性，提高編碼安全系數(shù)，增強信道安全性。

其中-位比特數(shù)作為冗余編碼，將通過非極性編碼方式進(jìn)行傳輸，該冗余編碼同時用于數(shù)據(jù)傳輸時的安全校驗。由于基性極化比特數(shù)為，使用64PSK編碼方式[7]進(jìn)行初次編碼：

將模型（8）進(jìn)行模型（6）所示的基性極化映射得：

由于基性極化映射過程需要對轉(zhuǎn)秩矢量進(jìn)行模二處理，經(jīng)過處理后的矩陣丟失了正交特性，極易在信號發(fā)射過程中產(chǎn)生噪聲投影，因此，為進(jìn)一步提高編碼的安全系數(shù)，降低噪影矢量對編碼空間的干擾，需要進(jìn)行正交處理，故對模型（9）進(jìn)行正交權(quán)向量映射[10]可得：

聯(lián)立模型（4），模型（5）及模型（11）即完成信道編碼，算法結(jié)束。

圖1為本文算法與文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]的信道碼元基性極化率的理論分析結(jié)果。顯然，本文算法中碼元基性極化率始終較為穩(wěn)定，較文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]相比具有明顯的優(yōu)勢。

圖1 基性極化率

2 仿真實驗

為便于對比本文實驗的性能，使用MATLAB仿真實驗環(huán)境[11]，對比實驗采用當(dāng)前實踐中普遍使用的時間片分支累積算法[12]（Time Slice Branching Accumulation，TSB算法）、信道最低分割度編碼算法[13]（Channel Minimum Segmentation Coding Algorithms，CMSC算法）。仿真指標(biāo)采用數(shù)據(jù)傳輸帶寬、時間片誤比特數(shù)、編碼速率、周期重傳次數(shù)四個指標(biāo)。仿真參數(shù)表如下：

表1 仿真參數(shù)表

實驗開始時，按照參數(shù)表所示進(jìn)行初始化，首先按照64PSK進(jìn)行信號投影，并按照模型（4）和模型（5）分割為極性編碼和非極性編碼的疊加形式。隨后，通過模型（10）基性極化映射可得初始信道編碼，并按照中心頻率為1.024 GHZ進(jìn)行信號發(fā)射，確保各子信道之間的信號頻移不低于512 MHZ。接收端按照接收周期不高于512 ms進(jìn)行信號接收，直到傳輸結(jié)束。傳輸過程中接收端實時統(tǒng)計數(shù)據(jù)傳輸帶寬、時間片誤比特數(shù)及周期重傳次數(shù)，直到信號接收完畢。

2.1 數(shù)據(jù)傳輸帶寬

圖2為數(shù)據(jù)傳輸帶寬仿真實驗結(jié)果，可以看出，本文算法數(shù)據(jù)傳輸帶寬始終處于較高水平，且具有波動較為平緩的特點，能夠有效滿足5G通信過程中超帶寬傳輸需求。這是由于本文算法通過將傳輸碼源進(jìn)行了極化處理，能夠分割為互相正交的兩組碼源進(jìn)行交叉?zhèn)鬏?，傳輸效率較高，可基本消除因信道互相干涉而造成的數(shù)據(jù)發(fā)送失敗的概率，因此具有較高的數(shù)據(jù)傳輸帶寬。TSB算法主要通過統(tǒng)計本周期內(nèi)成功傳輸?shù)臅r間片數(shù)量的方式調(diào)度數(shù)據(jù)，由于該算法僅采取重傳機制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，極化程度較低，當(dāng)信道噪聲干擾較強時會導(dǎo)致嚴(yán)重的調(diào)度擁塞現(xiàn)象，降低了數(shù)據(jù)傳輸帶寬。CMSC算法雖然通過將信道分割為若干個互相獨立子信道方式進(jìn)行信道編碼，然而由于5G信道分割具有獨立不相干特性，一旦子信道處于互相干涉狀態(tài)時將導(dǎo)致信道編碼的成功率顯著下降，造成信號傳輸過程中因頻率互相干涉而處于共振狀態(tài)，降低了數(shù)據(jù)傳輸效率，因此該算法的數(shù)據(jù)傳輸帶寬性能要差于本文機制。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸帶寬

2.2 時間片誤比特數(shù)

圖3為時間片誤比特數(shù)仿真實驗結(jié)果，由圖可知，本文算法時間片誤比特數(shù)始終處于較低水平，且與時間片累積數(shù)量呈現(xiàn)一定的線性下降關(guān)系，數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量較高，能夠以較高的效率捕捉誤比特數(shù)量。這是由于本文算法信道編碼過程中將數(shù)據(jù)首先進(jìn)行了極化處理，且在極化編碼中采用了二次極化方式大大提高了極化效率，能夠顯著壓縮冗余比特數(shù)，因此由于冗余比特造成的時間片誤比特數(shù)較低。TSB算法采用預(yù)先設(shè)定冗余比特方式進(jìn)行極化處理，處理過程較為機械，需要預(yù)先設(shè)定極化比特數(shù)的方式強化對冗余比特的利用，當(dāng)信道處于互相干涉狀態(tài)時該方法很難起到及時發(fā)現(xiàn)并處理誤比特的效果，因此時間片誤比特數(shù)量較高。CMSC算法需要將信道盡量多的分割為互相正交的獨立子信道，任意子信道進(jìn)行極化編碼時都必須引入一定數(shù)量的冗余比特數(shù)量，誤比特數(shù)因此隨著時間片數(shù)量的增多將呈現(xiàn)一定數(shù)量的增加態(tài)勢，降低了算法對誤比特的處理性能，因此該算法的時間片誤比特數(shù)要高于本文算法。

圖3 時間片誤比特數(shù)

2.3 編碼速率

圖4為編碼速率仿真實驗結(jié)果，本文算法編碼速率隨著時間片數(shù)量的增加而呈現(xiàn)不斷增加的態(tài)勢，且顯著高于TSB算法和CMSC算法。這是由于本文算法針對編碼過程進(jìn)行了二次極化處理，能夠顯著增加極化效率，時間片誤比特數(shù)較低；具有很強的數(shù)據(jù)傳輸性能，網(wǎng)絡(luò)中積累的冗余比特數(shù)要顯著低于對照組算法，促進(jìn)了編碼速率的提高，具有很好的編碼速率性能。由于TSB算法對編碼過程中極化性能考慮不足，處理過程需要預(yù)先設(shè)定極化比特數(shù)，因此時間片誤比特數(shù)較高，算法需要花費較多的資源處理網(wǎng)絡(luò)中殘留的冗余比特，造成數(shù)據(jù)傳輸帶寬較低，因此編碼速率難以隨著時間片數(shù)量的增加而不斷增加。CMSC算法需要預(yù)先將傳輸信道進(jìn)行傳輸分割，由于5G信號具有強烈的頻率偏移特性，需要針對每個傳輸子信道進(jìn)行編碼極化處理，容易因誤比特數(shù)的增加而導(dǎo)致編碼速率出線明顯程度的下降，因此該算法的編碼速率性能要低于本文算法。

圖4 編碼速率

2.4 周期重傳次數(shù)

圖5為周期重傳次數(shù)仿真實驗結(jié)果，本文算法周期重傳次數(shù)始終要低于TSB算法和CMSC算法，且曲線波動較為平緩。這是由于本文算法采用了二次極化機制，編碼速率較高，可針對傳輸周期內(nèi)出現(xiàn)的誤比特數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時擦除，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸帶寬，因此因時間片擁塞而導(dǎo)致周期重傳現(xiàn)象的發(fā)生概率要顯著低于對照組算法。TSB算法在進(jìn)行周期傳輸過程中需要針對誤比特率較高的情況進(jìn)行重傳處理，導(dǎo)致時間片繁忙程度較高，因此周期重傳事件的發(fā)生概率要高于本文算法。CMSC算法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時需要將信道分割為獨立的子信道進(jìn)行分割傳輸，各個信道間容易產(chǎn)生嚴(yán)重的干涉現(xiàn)象，導(dǎo)致數(shù)據(jù)擁塞現(xiàn)象發(fā)生較高，算法必須通過周期重傳的方式消化節(jié)點內(nèi)冗余數(shù)據(jù)，因此周期重傳次數(shù)亦要顯著高于本文算法。

圖5 周期重傳次數(shù)

3 結(jié)束語

針對當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)信道安全編碼方案存在的編碼復(fù)雜、傳輸性能較差及數(shù)據(jù)冗余度高等不足，提出了一種基于超基性機制的5G網(wǎng)絡(luò)信道安全編碼方案。算法主要通過將待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分割為互相獨立并正交的極化序列的方式，實現(xiàn)對傳輸過程的高效調(diào)度，抗噪性能較好，編碼速率及傳輸速率均能滿足實際場合中需要的性能指標(biāo)?？捎行Ы鉀Q當(dāng)前算法在5G環(huán)境下因節(jié)點高速流動而產(chǎn)生的極化困難現(xiàn)象。

下一步，將針對本文算法在能量受限情況下存在的編碼速率較低的問題，重點考慮引入5G節(jié)點功率調(diào)度機制，以便能夠更好的適應(yīng)實踐中遇到的難題，促進(jìn)本文算法的推廣使用。

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Channel Secure Coding Scheme for 5G Networks Based on Ultra-Basic Mechanism

WANG Qiong-pei

(School of Electronic Engineering, Anhui Wonder University of Information Engineering, Hefei, Anhui 231201, China)

In order to solve the problems of large coding complexity, poor transmission performance and high data redundancy in current 5G channel security coding schemes, a new channel security coding scheme for 5G network based on super-basic mechanism is proposed. Firstly, by using the orthogonal property of polarization sequence in 5G channel coding process, polarization segmentation of sequence feature vectors is realized by modular binary operation and tensor product operation, which can significantly reduce the number of redundant bits in 5G channel coding process, efficiently schedule transmission sequence and improve the efficiency of network channel secure coding. Then, considering the polarization property of 5G channel correction bits, the algorithm designs a quadratic coding polarization method by orthogonal weight vector mapping, which is used to reduce the number of redundant symbols and improve symbol congestion during channel pre-transmission. It improves the channel transmission efficiency and has a high fundamental polarization of channel symbols, and can meet the needs of UWB transmission of 5G data. The simulation results show that compared with the current time Slice Branching Accumulation algorithm and Channel Minimum Segmentation Coding Algorithms algorithm, the proposed algorithm has the characteristics of higher data transmission bandwidth, lower time slice error bits, fast coding rate and less periodic retransmissions. It has strong practical deployment value.

5G Network; channel secure coding; superbase; polarization sequence; channel correction bit; secondary coding polarization

1674-8085(2019)03-0062-05

TP393

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2019.03.011

2019-01-03；

2019-04-08

安徽省高等學(xué)校省級質(zhì)量工程項目(2017sxzx78)；安徽文達(dá)信息工程學(xué)院自然科學(xué)研究重點項目(XZR2018A05)

王瓊佩(1983-)，女，安徽池州人，講師，碩士，主要從事計算機網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)通信與安全等研究(E-mail: wqp9183@tom.com).