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高效2^n并行快速FIR算法及其实现方法

电子科技大学学报 2020年第2期49卷 182-186页

作者：胡剑浩曾维棋费超陈杰男电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室成都611731

快速有限脉冲响应(FIR)算法(FFA)突破了传统并行FIR滤波器复杂度随并行度线性增加的局限性,效率大幅提高。然而目前缺少对高并行FFA通用算法和实现架构的研究。该文提出了高效2^n并行FFA,并给出了其通用算法形式与实现架构;同时讨论了... 详细信息

快速有限脉冲响应(FIR)算法(FFA)突破了传统并行FIR滤波器复杂度随并行度线性增加的局限性,效率大幅提高。然而目前缺少对高并行FFA通用算法和实现架构的研究。该文提出了高效2^n并行FFA,并给出了其通用算法形式与实现架构;同时讨论了对于非2^n并行FFA的实现架构。通过算法分析和硬件效率评估,本文算法及其实现架构在相同的并行度和性能条件下,比传统并行算法有显著改善,且随着并行度的增加,这种优势更加明显。该算法在高并行FIR滤波器的应用中有很大优势。

关键词： 2^n并行快速FIR算法 FIR滤波器硬件效率

5G无线通信高效检测及译码的算法与实现研究

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5G无线通信高效检测及译码的算法与实现研究

作者：杨俊梅东南大学

学位级别：硕士

作为下一代移动通信5G的一项关键技术,大规模多天线(MIMO)系统在传统MIMO系统的基础上进一步改善了频谱效率、连接可靠性和覆盖范围。最近提出的Polar码在二进制离散无记忆信道(B-DMCs)中能够达到香农信道容量,被称为信息领域的一项重... 详细信息

作为下一代移动通信5G的一项关键技术,大规模多天线(MIMO)系统在传统MIMO系统的基础上进一步改善了频谱效率、连接可靠性和覆盖范围。最近提出的Polar码在二进制离散无记忆信道(B-DMCs)中能够达到香农信道容量,被称为信息领域的一项重大突破。现在,Polar码已经被采纳为5G增强型移动宽带场景(eMBB)控制信道的短码方案。基于此,本文将主要研究大规模MIMO系统检测器、Polar码译码器以及Polar码编码MIMO系统的联合检测译码(JDD)方法。对于大规模MIMO上行链路,提出了基于符号的实数域置信传播(BP)检测算法。针对i.i.d.以及各种相关MIMO信道,从理论上分析并证明了 BP算法中符号节点和消息节点的消息更新准则。对于发射端天线相关或者加载因子ρ = 1的大规模MIMO系统,采用消息阻尼策略来改善BP检测的性能。为了在性能和复杂度之间提供良好的折衷实现,基于自适应的消息更新方式,提出了自适应的BP检测算法。相比复数域的单边BP(SE-BP)检测,本章提出的基于符号的实数域BP检测算法显著改善了检测性能。对于发射和接收端相关的MIMO信道,提出的自适应BP检测算法能够在保证检测性能的同时,大大降低了计算复杂度。对于采用不同天线配置的i.i.d.以及各种相关衰落MIMO信道,本文提出的基于符号的实数域BP检测算法相比已有的BP检测器和最小均方误差(MISE)线性检测器,在检测性能和复杂度方面均表现出一定的优势。因此,本文提出的基于符号的实数域BP检测算法不需要矩阵求逆,具有良好的检测性能、较低的计算复杂度,能够适用于多种大规模MIMO系统,尤其是高阶调制系统。在硬件实现上,我们给出了适用于大规模MIMO系统的通用和高效的BP检测器架构,并对处理时序进行了详细分析。处于实现复杂度和容错性的考虑,提出了基于随机计算的低复杂度BP检测器。对于正交相移键控(QPSK)调制和正交幅度调制(QAM)系统,详细分析了随机BP检测器消息更新和输出判决模块的硬件逻辑结构。通过引入常系数和采用重随机操作来改善检测性能。该随机BP检测器的性能随着天线数增加而不断改善,最终逼近确定域BP检测器。根据理论分析,随机BP检测器的硬件复杂度仅随着天线数增加呈线性增加,而系统延时对数增加。相比最新的迭代检测器,本文提出的确定域BP检测器硬件消耗得到了显著降低。当天线规模足够大时,随机BP检测器具有与确定性检测器可比拟的逻辑消耗,却并不消耗复杂的算术运算单元,例如数字信号处理器(DSPs)。随着天线规模进一步增大,该随机BP检测器在硬件实现方面将表现出更大的低复杂度优势,而系统延时几乎保持不变,系统吞吐率得到成倍提升。因此,随机BP检测器适用于对延时不敏感的大规模MIMO系统。对于实现复杂度和系统吞吐率同等重要的大规模MIMO应用场景,确定域的BP检测器将是一个不错的选择。针对Polar码的连续干扰消除链表(SCL)译码器,首先提出了两种简化的路径度量值排序方法:松排序(RS)和分布式排序(DS)算法。对于链表长度为L的SCL译码器,RS和DS算法将路径度量值的比较复杂度从O(L2)降低到O(L),排序延时从kkL2降低到kkL(k是与L无关的常系数)。同时,基于RS和DS简化排序的SCL译码器能够达到采用直接严格排序的SCL译码器几乎一致的译码性能。为了获得与低密度校验码(LDPC)、Turbo码相似的译码性能,可采用CRC预编码策略,进而产生了 CRC辅助的SCL(CA-SCL)译码器。基于二进制擦除信道(BEC),对SCL译码的误差传播进行了相应的理论分析。为了降低路径度量值排序和内存管理复杂度,基于误差传播的理论分析,提出了简化的路径扩展方法。此外,为了尽可能早地丢弃无效路径,又提出了分段的CA-SCL(SCA-SCL)译码器,可有效降低平均链表长度。采用简化路径扩展方法的CA-SCL译码器能够达到传统CA-SCL译码器的译码性能。同时,基于分段CRC策略的SCA-SCL译码器相比传统的CA-SCL译码器,其性能损失是可以忽略的。最后,本文提出的简化排序算法、简化路径扩展方法以及分段CRC策略可以互相结合来获得更低的译码复杂度。对于Polar编译码器的整体硬件实现,提出了并行流水线折叠的SCL译码架构。基于基本的(?)-bitSC译码器,采用硬件折叠、流水线技术,以及指令集调用方式,实现N-bit的SC译码器。对于传统的并行和并行流水线折叠SCL译码架构,给出了系统延时、混合节点消耗以及硬件利用率的理论分析。此外,基于折叠SC译码架构,提出了分级量化方案,有效降低了平均量化比特长度,同时保证了与统一量化方案相同的译码性能。针对N = 1024,K = 512的Polar码,在Altera Stratix V系列FPGA的DE5-ne

关键词： 5G 大规模MIMO 检测器检测性能置信传播(BP) 消息更新相关信道低复杂度随机计算 Polar码连续干扰消除链表(SCL)译码器译码性能宽松排序(RS) 分布式排序(DS) 简化路径扩展 CRC辅助SCL(CA-SCL)译码器硬件实现折叠流水线分级量化硬件利用率硬件效率 BP译码器分离检测译码(SDD) 缩减树联合检测译码(JDD) 联合最优化

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抵抗模型攻击的物理不可克隆函数结构设计

抵抗模型攻击的物理不可克隆函数结构设计

作者：韦子伟南京航空航天大学

学位级别：硕士

近年来,随着人工智能(Artificial Intelligence,AI)和物联网(Internet of Things,Io T)的结合越来越紧密,智慧互联网络中物理节点的信息安全面临着极大的考验。物理不可克隆函数(Physical Unclonable Function,PUF)由于低功耗和轻量级... 详细信息

近年来,随着人工智能(Artificial Intelligence,AI)和物联网(Internet of Things,Io T)的结合越来越紧密,智慧互联网络中物理节点的信息安全面临着极大的考验。物理不可克隆函数(Physical Unclonable Function,PUF)由于低功耗和轻量级等优点成为新兴的硬件安全加密组件。它的基本原理是提取电子器件生产过程中的随机工艺误差并将其表征为硬件电路的标识信息。本文首先介绍PUF的基本原理及其结构分类,阐述常见的评价指标和对基于环形振荡器(Ring Oscillator,RO)和仲裁器(Arbiter)的经典强PUF进行数学建模与分析。然后,针对基于RO和Arbiter的强PUF在硬件效率和机器学习抵抗性方面的不足,分别提出基于异或门(XOR gate)和数据选择器(multiplexer,MUX)的Transformer PUF,基于置换盒(substitution box,S-Box)加密和混淆传递的SECT PUF以及基于动态随机数的DRN-PUF。接着,对三种改进PUF结构分别进行现场可编程阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)实现和数学建模分析。其中,Transformer PUF使用FPGA中的MUX7资源降低基于RO的PUF的硬件消耗,SECT PUF和DRN-PUF使用可编程延时器件(programmable delay device,PLD)调控仲裁器PUF(Arbiter PUF,APUF)路径延时差和均衡路由。最后,在不同的环境温度和电压幅度下对基于RO和Arbiter的经典强PUF及其改进结构进行唯一性和可靠性测试,并使用逻辑回归(Logistic Regression,LR)和协方差矩阵自适应进化策略(Covariance Matrix Adaptation Evolution Strategy,CMA-ES)评估三种改进PUF的安全性。实验结果表明,相较于以往基于RO的PUF,Transformer PUF取得较好的唯一性(49.44%)和可靠性(98.12%),较好的机器学习抵抗能力和最高的硬件效率。其FPGA实现的资源消耗仅是RO PUF的1/64,基于MPUF的CRO PUF的1/32,CRO PUF的1/16,RRO PUF的1/8。相较于传统APUF仅1.05%的唯一性和脆弱的机器学习抵抗性,SECT PUF和DRN-PUF均取得良好的唯一性(超过40%)和可靠性(超过90%),并显著提升对机器学习算法的抵抗性。其中,LR和CMA-ES对DRN-PUF的预测率仅是50%,相当于随机猜测。此外,本文通过对三种抗攻击改进PUF的性能优劣对比分析得到,Transformer PUF在硬件效率和安全性之间取得平衡,DRN-PUF可以广泛适用于对PUF自身安全性要求严格的认证系统。

关键词：信息安全物理不可克隆函数硬件效率机器学习抵抗性

面向FPGA的高效安全可重构物理不可克隆函数电路结构研究

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面向FPGA的高效安全可重构物理不可克隆函数电路结构研究

作者：陈云鹏南京航空航天大学

学位级别：硕士

随着智能物联网(Artificial Intelligence&Internet of Things,AIo T)概念的逐渐普及,社会各领域都开始步入新一轮的变革,AIo T在未来生活中的应用必然会不断增多,同时将导致物联网终端数量的爆发性增长。传统的软件安全技术对硬件资源... 详细信息

随着智能物联网(Artificial Intelligence&Internet of Things,AIo T)概念的逐渐普及,社会各领域都开始步入新一轮的变革,AIo T在未来生活中的应用必然会不断增多,同时将导致物联网终端数量的爆发性增长。传统的软件安全技术对硬件资源的要求比较严格,已经很难适用于资源受限的物联网应用场景,这为信息安全领域带来了全新的挑战,同时也伴随着机遇。物理不可克隆函数(Physical Unclonable Function,PUF)作为一种新型硬件安全技术,得到了业内研究人员的广泛关注。PUF技术能够提取出集成电路中由于制造工艺误差而导致的电压、延时等电气特性的差异,并将这些差异转换为独特的激励响应对用于认证和加密。PUF具有硬件成本低、易于集成、功耗低、防克隆等特性,这些特性让PUF在解决物联网领域的安全问题方面有着广阔的应用前景。首先,本文介绍了PUF的基本原理,并根据工作原理的不同对现有的PUF结构进行了分类,其中重点讲解了延时类PUF中可重构环形振荡器(Ring Oscillator,RO)PUF的设计原理,同时分析了现有PUF结构的不足之处。其次,为了改善可重构RO PUF硬件效率低的缺点,本文提出了动态可重构PUF和基于开关矩阵的可编程RO PUF两种结构。动态可重构PUF利用了现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的动态部分重构技术,使得PUF设备在运行过程中可以动态地切换PUF电路的部分结构。基于开关矩阵的可编程RO PUF将FPGA中的开关矩阵用于构建可编程RO基础延时单元,在不增加资源消耗的条件下可以产生更多的激励响应对。在FPGA上对这两种结构的实现结果表明,相较于现有的可重构RO PUF,两种结构的硬件效率分别提升了10倍和10倍。最后,为了解决可重构RO PUF易受机器学习攻击的问题,本文提出了基于异或门的反馈RO PUF结构,并建立了对应的延时模型。本文在FPGA上实现了所提出的结构,采集了大量的激励响应对数据,并基于这些数据使用机器学习算法对所提出的结构进行攻击。攻击的结果表明,机器学习算法无法准确预测出未知的激励响应对,对未知激励响应对的预测成功率最高仅能达到70%,证明了所提出的结构能够防御机器学习攻击。

关键词：硬件信息安全可重构物理不可克隆函数现场可编程门阵列硬件效率抗机器学习攻击

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5G极化码译码算法优化与高效硬件实现

5G极化码译码算法优化与高效硬件实现

作者：季厚任东南大学

学位级别：硕士

作为最新一代的移动通信技术,第五代移动通信技术在第四代移动通信技术的基础上不断发展演进,使得国家、社会发展与国民生活质量得到了前所未有的快速提高。移动支付、网络会议、网上课堂、远程会诊、云诊室等基础服务概念层出不穷,无... 详细信息

作为最新一代的移动通信技术,第五代移动通信技术在第四代移动通信技术的基础上不断发展演进,使得国家、社会发展与国民生活质量得到了前所未有的快速提高。移动支付、网络会议、网上课堂、远程会诊、云诊室等基础服务概念层出不穷,无时无刻不在改变着人民的生产生活方式,提高人民幸福感。除了人民基础生活服务方面,无人驾驶、智能工厂、增强现实、虚拟现实等概念的提出所需要的信息处理能力和传输效率给新一代的移动通信技术带来了新的挑战,这意味着5G网络要面对更多的应用需求和更多元的无线移动场景。信道纠错码是通信系统在进行信息传输时的重要技术组成部分,其作用是在发射端对信息进行适当的冗余信息增加以对抗在传输中的信道噪声,提高数字信号的传输可靠性。5G NR标准规范了新一代低延时、高速率、高可靠度的移动通信需求。目前,极化码作为新一代移动通信的信道编码已经被采纳为5G增强型移动宽带场景(e MBB)控制信道的短码方案。并且作为第一个被理论证明可以达到香农信道容量的信道编码,极化码更加受到国内外通信专家学者的关注。本文将主要研究极化码译码算法的优化以及相应算法高效硬件实现的问题。目前极化码主流的两种译码算法——连续干扰消除(SC)算法和置信传播(BP)算法。两种算法在实际译码中各有其优劣势,因此被许多学者进一步研究。为了弥补SC算法性能的不足,连续干扰消除列表(SCL)算法被提出,随后简化连续干扰消除列表(SSCL)、快速简化连续干扰消除列表(Fast-SSCL)算法被提出,用来降低SC、SCL算法的译码时延,进而优化译码复杂度。而针对并行的BP算法来说,置信传播列表(BPL)置信传播翻转(BPF)等基于BP的优化算法被陆续提出,在保证原始BP算法低延时高吞吐率的优势下进一步提升其性能。本文针对SSCL算法译码复杂度讨论且研究了SSCL算法对特殊节点进行路径分裂问题。对于原始精确的SSCL算法来来说,其采用的是最大似然判决原则,对rate-1节点所包含的所有信息位逐一翻转进行路径分裂,对于一个规模为N的rate-1节点来说,需要分裂出2v条路径再进行路径排序、选取。这就导致了随着极化码N的增加,rate-1节点规模的增大,精确SSCL译码算法的复杂度将呈指数增长。目前的译码策略偏向通过仿真实验得到特定译码场景下的特殊节点分裂次数,但其策略缺乏灵活性。为了能够收紧路径分裂界且使得分裂次数能够灵活地自适应极化码信道情况,本文提出了最差路径比较分裂策略,基于该策略的SSCL译码算法利用了每次分裂路径的PM取值特点,将每条分裂出的新候选路径与当前最差路径的PM值进行比较判断是否有必要分裂。该策略可以灵活地适应判断极化信道的优劣,有效抑制较差路径在rate-1节点的分裂,为rate-1节点提供一个适应信道状况的灵活分裂界,在保证原算法译码性能的同时,大大降低了算法的计算复杂度。本文针对目前现有的BPF译码算法,总结了其存在的问题以及进一步研究的方向。一共可以概括为三点:翻转集合建立实验、排序复杂度以及校验检错方案的制定。这三方面关系到算法本身的性能表现以及计算复杂度,同时也会影响到后续硬件设计与实现相应指标的优化情况。基于总结的BPF算法表现的三方面,预先翻转的BPF算法——A-BPF算法被提出。A-BPF算法考虑了BP译码与翻转集合的时序、建立易错比特的选取以及校验检错方案对BPF算法性能的影响并对应给出了对GBPF算法的优化方案。通过仿真实验结果可以看出,对于极化码P(1024,512)来说,A-BPF算法当在FER=10处翻转集合规模大小为T=16和T=64时,A-BPF算法比GBPF算法分别多出0.11d B和0.17d B增益,优于BPL,L=16算法0.23d B。并且可以在一定复杂度下达到CA-SCL L=8的性能。关于高效硬件实现方面,本文讨论了提出的A-BPF算法的硬件设计以及各个特有模块的设计与优化问,给出了A-BPF译码器顶层设计结构,包括双列BP架构、校验检错单元以及比特翻转管理单元。前两者从基本上按照A=BPF算法进行设计。最重要的是对A-BPF译码器中比特翻转管理单元中排序网络设计的研究。因比特翻转排序单元中排序网络面临极化码码长增加规模逐渐变大的问题,本文就对其硬件复杂度方面的优化问题展开讨论。采用全双调排序网络的剪枝优化与排序网络的折叠优化,根据A-BPF算法中搜索集合与翻转集合规模大小,将全双调排序网络中不必要的CSU进行合理剪枝优化,降低硬件复杂度。在折叠优化方面,根据排序网络内部结构特点,我们采用“分而治之”的分组排序思想,将大规模排序网络进行拆解,用相同结构的小规模排序网络组成最终符合模块功能要求的大规模网络,进而提出排序网络的复用架构实现对原始大排序网络的折叠优化。大大降低了硬件复杂度,缩短了排序网络的关键路径。最后结果显示,

关键词： 5G 极化码连续干扰消除列表(SCL) 置信传播(BP) 消息更新比特翻转排序网络简化路径分裂硬件设计与实现折叠优化硬件效率 BPF译码器

Ellie:一种基于LFSR并行迭代的轻量级加密算法

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Ellie:一种基于LFSR并行迭代的轻量级加密算法