王瓊佩

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基于超基性機制的5G網絡信道安全編碼方案

王瓊佩

(安徽文達信息工程學院電子工程學院，安徽，合肥 231201)

為解決當前5G信道安全編碼方案中存在的編碼復雜、傳輸性能較差及數據冗余度高的不足，提出了一種基于超基性機制的5G網絡信道安全編碼方案。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量，高效調度傳輸序列，提升網絡信道安全編碼效率。隨后，考慮5G信道矯正比特序列具有的極化性質，通過正交權向量映射方法，設計二次編碼極化方法，用于降低信道預發(fā)射過程中存在的冗余碼元數量，改善碼元擁塞現象，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，本文算法具有數據傳輸帶寬高、時間片誤比特數低、編碼速率快、周期重傳次數少等特性，具有很強的實踐部署價值。

5G網絡；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技術作為前瞻性科技，目前已經被納入了“中國制造2025”的規(guī)劃綱要并成為國家大力推廣的新興產業(yè)技術之一[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確保數據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，提高數據使用質量[2]。其中，網絡信道安全編碼技術作為一項集合安全-超寬帶傳輸特性的綜合解決方案，在5G通信技術的發(fā)展中得到了較多的關注，推動了5G通信技術在實踐中的大規(guī)模應用[3]。

當前5G網絡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據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網絡信道安全編碼方案，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，實現對信道噪聲的有效抑制，從而提高數據傳輸過程中的安全系數；不過，該算法也存在對信道分割過細的問題，導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網絡信道安全編碼方案，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，數據傳輸過程嚴格按照正交原則進行匹配，能夠達到較高的數據傳輸速度，且編碼復雜度較低；不過，該算法存在實現過程復雜的不足，特別是當信號處于干涉狀態(tài)時，算法的魯棒性將受到很大的影響，效率將呈現急劇下降的態(tài)勢。Sotirios等[5]提出了一種基于差分編碼技術的5G網絡信道安全編碼方案，主要通過時間片交錯傳輸的方式實現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，難以實現超帶寬傳輸。

針對當前5G網絡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網絡信道安全編碼方案。算法首先針對5G信道編碼的極性因素進行匹配分割，并采取模二運算和張量積運算兩種方式進行特征矢量分割，大大降低5G信道編碼中因時間片累積效應而產生的冗余比特數量，促進了網絡編碼效率的提高。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，使用正交權向量映射的方式進行二次編碼極化，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，提升網絡傳輸質量。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網絡信道安全編碼設計

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，以便數據傳輸過程中能夠以較為安全的形勢進行傳輸。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，增強信道安全性。

其中-位比特數作為冗余編碼，將通過非極性編碼方式進行傳輸，該冗余編碼同時用于數據傳輸時的安全校驗。由于基性極化比特數為，使用64PSK編碼方式[7]進行初次編碼：

將模型（8）進行模型（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秩矢量進行模二處理，經過處理后的矩陣丟失了正交特性，極易在信號發(fā)射過程中產生噪聲投影，因此，為進一步提高編碼的安全系數，降低噪影矢量對編碼空間的干擾，需要進行正交處理，故對模型（9）進行正交權向量映射[10]可得：

聯立模型（4），模型（5）及模型（11）即完成信道編碼，算法結束。

圖1為本文算法與文獻[9]和文獻[10]的信道碼元基性極化率的理論分析結果。顯然，本文算法中碼元基性極化率始終較為穩(wěn)定，較文獻[9]和文獻[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）。仿真指標采用數據傳輸帶寬、時間片誤比特數、編碼速率、周期重傳次數四個指標。仿真參數表如下：

表1 仿真參數表

實驗開始時，按照參數表所示進行初始化，首先按照64PSK進行信號投影，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進行信號接收，直到傳輸結束。傳輸過程中接收端實時統(tǒng)計數據傳輸帶寬、時間片誤比特數及周期重傳次數，直到信號接收完畢。

2.1 數據傳輸帶寬

圖2為數據傳輸帶寬仿真實驗結果，可以看出，本文算法數據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行了極化處理，能夠分割為互相正交的兩組碼源進行交叉?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據發(fā)送失敗的概率，因此具有較高的數據傳輸帶寬。TSB算法主要通過統(tǒng)計本周期內成功傳輸的時間片數量的方式調度數據，由于該算法僅采取重傳機制進行數據傳輸，極化程度較低，當信道噪聲干擾較強時會導致嚴重的調度擁塞現象，降低了數據傳輸帶寬。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)，降低了數據傳輸效率，因此該算法的數據傳輸帶寬性能要差于本文機制。

圖2 數據傳輸帶寬

2.2 時間片誤比特數

圖3為時間片誤比特數仿真實驗結果，由圖可知，本文算法時間片誤比特數始終處于較低水平，且與時間片累積數量呈現一定的線性下降關系，數據傳輸質量較高，能夠以較高的效率捕捉誤比特數量。這是由于本文算法信道編碼過程中將數據首先進行了極化處理，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，因此由于冗余比特造成的時間片誤比特數較低。TSB算法采用預先設定冗余比特方式進行極化處理，處理過程較為機械，需要預先設定極化比特數的方式強化對冗余比特的利用，當信道處于互相干涉狀態(tài)時該方法很難起到及時發(fā)現并處理誤比特的效果，因此時間片誤比特數量較高。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，任意子信道進行極化編碼時都必須引入一定數量的冗余比特數量，誤比特數因此隨著時間片數量的增多將呈現一定數量的增加態(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要高于本文算法。

圖3 時間片誤比特數

2.3 編碼速率

圖4為編碼速率仿真實驗結果，本文算法編碼速率隨著時間片數量的增加而呈現不斷增加的態(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，時間片誤比特數較低；具有很強的數據傳輸性能，網絡中積累的冗余比特數要顯著低于對照組算法，促進了編碼速率的提高，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，處理過程需要預先設定極化比特數，因此時間片誤比特數較高，算法需要花費較多的資源處理網絡中殘留的冗余比特，造成數據傳輸帶寬較低，因此編碼速率難以隨著時間片數量的增加而不斷增加。CMSC算法需要預先將傳輸信道進行傳輸分割，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行編碼極化處理，容易因誤比特數的增加而導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

圖5為周期重傳次數仿真實驗結果，本文算法周期重傳次數始終要低于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，可針對傳輸周期內出現的誤比特數據實現實時擦除，大大提高了數據傳輸帶寬，因此因時間片擁塞而導致周期重傳現象的發(fā)生概率要顯著低于對照組算法。TSB算法在進行周期傳輸過程中需要針對誤比特率較高的情況進行重傳處理，導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算法進行數據傳輸時需要將信道分割為獨立的子信道進行分割傳輸，各個信道間容易產生嚴重的干涉現象，導致數據擁塞現象發(fā)生較高，算法必須通過周期重傳的方式消化節(jié)點內冗余數據，因此周期重傳次數亦要顯著高于本文算法。

圖5 周期重傳次數

3 結束語

針對當前5G網絡信道安全編碼方案存在的編碼復雜、傳輸性能較差及數據冗余度高等不足，提出了一種基于超基性機制的5G網絡信道安全編碼方案。算法主要通過將待傳輸的數據分割為互相獨立并正交的極化序列的方式，實現對傳輸過程的高效調度，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。可有效解決當前算法在5G環(huán)境下因節(jié)點高速流動而產生的極化困難現象。

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)點功率調度機制，以便能夠更好的適應實踐中遇到的難題，促進本文算法的推廣使用。

[1] 呂敬祥,廖海紅. 分區(qū)大規(guī)模無線傳感網絡多跳LEACH協議[J]. 井岡山大學學報:自然科學版, 2017(6):38-42.

[2] Chen Y W , Chu Y Y , Lai C W. Study on State Dependent Radio Resource Scheduling for Downlink Traffic in LTE Networks[J]. Wireless Personal Communications, 2017, 96(3): 4709-4723.

[3] Mallouki N, Nsiri B, Ghanbarisabagh M, et al. Improvement of Downlink LTE System Performances Using Nonlinear Equalization Methods Based on SVM and Wiener–Hammerstein[J]. Wireless Networks, 2017, 23(8): 2447-2454.

[4] Joo H J, Jeong H Y. Quality Measurement System for a Wireless Network based on the Multimedia-data Service[J]. Multimedia Tools and Applications, 2017, 76(19)：19795-19807.

[5] Goudos S K , Deruyck M , Plets D , et al. Optimization of Power Consumption in 4G LTE Networks Using a Novel Barebones Self-Adaptive Differential Evolution Algorithm[J]. Telecommunication Systems, 2017, 66(1): 109-120.

[6] Seppo Y, Vesa H. Field Trial of Licensed Shared Access with Enhanced Spectrum Controller Power Control Algorithms and LTE Enablers[J]. Journal of Signal Processing Systems, 2017, 89(1): 119-132.

[7] Fu A, Qin N, Wang Y, et al. Nframe: A privacy- preserving with non-frameability handover authentication protocol based on (t, n) secret sharing for LTE/LTE-A networks[J]. Wireless Networks, 2017, 23(7):2165-2176.

[8] Shgluof I, Ismail M, Nordin R. An Enhanced System Information Acquisition Scheme for CSG Femtocells in 3GPP LTE/LTE A Systems[J]. Wireless Personal Communications, 2017, 96(3): 3995-4011.

[9] Kuo F C, Ting K C, Wang H C, et al. On Demand Resource Allocation for LTE Uplink Transmission Based on Logical Channel Groups[J]. Mobile Networks & Applications, 2017,22(5):868-879.

[10] Hamid M, Bj?rsell N, Slimane B. Empirical Statistical Model for LTE Downlink Channel Occupancy[J]. Wireless Personal Communications, 2017, 96(1): 855-866.

[11] Ansari S, Boutaleb T, Gamio I, et al. MHAV: Multitier Heterogeneous Adaptive Vehicular Network with LTE and DSRC[J]. ICT Express,2017,3(4):199-203.

[12] Abdel K A. Performance Bounds of Different Channel Access Priority Classes in Future Licensed Assisted Access (LAA) LTE Networks[J]. Physical Communication, 2017, 25(7): 110-127.

[13] Pranav S, Harjit S. Optimization of LTE System with Open and Closed-Loop Spatial Multiplexing Transmission Modes[J]. Australian Journal of Electrical and Electronics Engineering, 2017, 14(4): 88-92.

[14] Radu C, Titus B. An Analysis of the Video Capabilities of Multiple Antenna LTE Networks[J]. MACRo 2015, 2017, 2(1): 87-95.

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

安徽省高等學校省級質量工程項目(2017sxzx78)；安徽文達信息工程學院自然科學研究重點項目(XZR2018A05)

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