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适用于中继协作通信的联合保密抗噪声编码：协作系统的构造,高效编码设计和系统性能研究

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摘要

近年来无线通信系统的安全性和可靠性为世界各国研究人员和工程师所注目。无线传输由于其特有的信道传播特性所面临诸多严峻的挑战（如各种恶意入侵和无线信道中的散射、衍射、反射等各种信道缺陷）使得它成为一个非常复杂的通信系统。
　　解决上述问题的第一个合理方案就是在无线传输系统中的发射端采用所谓的智能信道编码技术，使得无线传输系统中的接收端也相应地具有智能译码接收。信道编码的基本原理是在所传输的信息比特后附加用于纠正有噪信道所产生错误的校验比特。在 Shannon划时代的信道容量和随机编码理论后的数十年里信道编码无论从理论和实践都有了巨大的发展。在本论文的第一部分将一些常用的信道编码进行适当的改进以提高整个编码传输系统的性能。
　　进一步解决上述问题的第二个合理方案就是在无线通信系统中采用所谓的编码协作技术，将信道编码和协作通信有机结合以获得编码和协作分集两种增益。分集技术通常是接收机对多路独立信号进行接收以获得分集增益来对抗多径衰落。然而在某些特定的通信系统中只能采用单天线发射或接收，为了在单天线系统条件下同样获得分集研究人员设计了一个可等同形成虚拟天线阵的三终端网络以实现发射分集，这就是学术界所提出并研究的所谓协作通信。
　　作为协作通信系统的单元，中继的引入就是为了进一步提高系统的功效、实现更大的信道容量和更好的传输可靠性。因此我们有必要将中继协作系统中的各个单独组成部分加以协同以获得更好的系统性能。除了协作分集外协作通信系统还存在着一个更为强大的分集技术，即编码协作分集，它是将高效编码技术与协作技术巧妙结合而产生的一种新的分集技术。目前已有许多基于源和中继节点分享资源以获得协作分集和更高编码增益组合的有效协议。因此本研究的第二个目标就是探索这类编码协作系统，在低编码和译码复杂度条件下同样实现较优越的系统性能。
　　另一方面为了增加无线通信系统的保密性，密码技术（如混沌系统）被广泛应用信息传输中以保护所传数据不被非法截获和盗用。混沌是一个在自然界和非线性系统中广泛存在的奇特现象。混沌系统可提供许多用于通信保密的高品质的基本要素，如实现简单、成本低廉、加/解密速度快和安全性高等特点。混沌的重要特性是它的动力学系统即使由确定过程控制也决不会重复，即它的未来的动力学系统由其初始状态决定。
　　然而值得注意的是长期以来差错控制和混沌加密是相互两个独立的研究课题。但即使作为两个独立领域混沌和编码理论依然可以有机地结合形成一个新的极富有吸引力的研究方向，因为两者结合可以使得极大地减少信号处理的代价或快速高效的工程实现。目前国际学术界很少关注将高效信道编码和混沌技术相结合并将其应用至编码协作系统中去。因此本论文的主要研究领域就是探索将高效信道编码和混沌技术相结合，研究具有保密功能的编码协作系统的性能，使得整个系统所传输的信息同时具有很好的可靠性和保密性。
　　本论文所涉及的信道编码为 Turbo码、LDPC码和目前国际编码学术界的研究热门极化码(Polar Codes)。首先提出了针对Turbo码两个新的交织器设计算法，即修正的分组半随机(MBSR)交织器和修正的匹配半随机(MMSR)交织器。在两种设计中交织器的构造主要取决于所谓的S-随机约束，以确保扩散导致产生低重量码字的输入信息序列。同时我们在半双工中继信道下分析了 MMSR交织器对分布式 Turbo码和分布式多 Turbo编码系统的影响。模拟研究表明在相同条件下采用MMSR交织器的分布式Turbo码系统的性能要明显优于采用其它交织器的分布式Turbo编码系统。
　　本论文进一步提出了将 Turbo码的设计与混沌系统相结合。我们所提出的混沌开关 Turbo编码系统与其它传统的Turbo码系统相比具有更好的安全性，仅在误码率上略有损失。此外我们还提出并研究了两种混沌开关 Turbo编码协助系统的性能，即分布式混沌开关 Turbo码(DCSTC)和协作混沌打空开关 Turbo码(CCPSTC)。研究表明可采用降低混沌速率的方法避免系统误码性能上的损失。
　　由于在硬件实现方面的巨大优势，本论文研究的第二种信道编码是准循环低复杂度奇偶校验(QC-LDPC)码。论文提出并研究了两种分布式 QC-LDPC码在半双工中继信道下的性能。模拟研究表明分布式 LDPC和 QC-LDPC编码系统在半双工中继信道下的性能均要优于传统的响应的点对点编码系统。论文进一步在研究了分布式 LDPC/QC-LDPC编码系统中引入数据加密，研究表明该系统所传输的信息可以取得良好的可靠性和安全性。
　　本论文所研究的第三种信道编码是一种新颖的打空极化码，即该极化码的构造中移去译码器已知的所谓的冻结位。通过分析其行容量和列重量特性我们可知在二进制加性白高斯噪声信道(BI-AWGN)下该打空极化码系统的性能要优于传统的极化码。本文分别在半双工单中继和双中继信道下，研究了译码/前馈(DF)极化码在多步连续消除和多步联合连续消除译码下的性能。在本节所提出的编码协作系统中，中继所需处理的信息位取决于一个信息位受到压缩的矩阵，且该矩阵的构造利用了极化码的三层和多层结构特性。研究表明在本文所提出的混沌极化编码中，在没有任何冻结比特先验知识条件下译码器无法正确地译出发射端所传输的信息比特。

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