CN105577359B - 一种基于混沌序列导频映射的oofdm加密系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于混沌序列导频映射的OOFDM加密系统。本发明包括依次连接的OFDM加密模块、光调制模块、光纤传输通道、光电探测模块、OFDM解密模块。OFDM加密模块连接到光调制模块从而产生加密的OOFDM信号；加密的OOFDM信号连接至光纤传输通道实现加密的OOFDM信号在光纤中的传输；光纤传输通道将加密的OOFDM信号传输至光电探测模块，从而将加密的OOFDM信号转化为电OFDM信号，电OFDM信号到达OFDM解密模块完成OFDM信号的解调。本发明能够适应光频分复用传输系统高速率大容量的传输特性，且安全性高时间空间代价低，能在不占用、不改变原有信号分布的情况下实现系统加密，可实现性高。

Description

一种基于混沌序列导频映射的OOFDM加密系统
技术领域
本发明属于光通信加密技术领域，主要涉及混沌序列在光正交频分复用传输系统中加密应用。
背景技术
光正交频分复用(Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OOFDM)是将OFDM技术应用于光通信的一种新技术，可以构造出高速率、大容量、低成本的光传输网络。OOFDM能够有效地对抗光通信系统中的色度、色散和偏振模色散引起的符号间干扰(ISI)，而且循环前缀(CP)的引入，更进一步的增强OOFDM通信系统的抗色散能力，降低色散管理的复杂度，同时对提高数据传输率和系统容量起到重要作用。另外，OOFDM系统中的各个子信道的不同频谱相互叠加，更有效的利用频谱资源，提高了频带利用率。除此之外，该系统实现简单，易于优化等优点，使OFDM技术在光通信领域，尤其是40Gbit/s以上的高速光通信领域具有很好的应用前景。
光OFDM系统中加入导频的作用在于用一些特定的先验信息来对信号的传播环境进行准确的传播信道估计。这样才能在后期正确的均衡和解调发送的信号。由于OFDM是模拟信号，对信道比较敏感，要想正确解调OFDM信号，必须进行信道估计，信道估计包括盲估计以及基于导频的估计方法，然而，在实际应用中，盲估计虽不需要额外开支，但是它估计精度比较低，难以达到系统要求。因此基于导频的估计方法是OOFDM中应用比较广泛的方法，由于传输信道往往是衰落信道，因此需要在信道中插入导频，不断对信道进行跟踪，接收端通过对导频信号的处理进行信道估计，此方法精度高，操作简易。然而，在OOFDM信号传输过程中，若导频序列被窃取，信道被轻易估值，则起不到对信号的保密作用。
与此同时，混沌系统在保密通信中的应用得到了越来越多的关注。由于光混沌系统具有大带宽、低衰减、动力学系统复杂以及对参数高度敏感等特性，非常适合于高速远程保密通信的要求，因此混沌保密通信的研究热点也逐渐由电路混沌系统转向了光混沌系统。近年来，国内外研究者针对OOFDM系统的加密研究主要集中在：1)物理层加密；2)利用广义滤波器组实现加密；3)在四维空间中用矢量调制等方面展开了大量研究。然而，作为实现有效快速的OOFDM系统加密的实际执行中，存在以下急需解决的问题:首先，安全性高，非法接收机无法解密出原始信号；其次，随着传输距离的增加，信道对混沌处理后的信号带来的色散、损耗等问题；再者，混沌序列对信号处理的速率即加密解密的速率问题。至今，已有大量的文献报道了有关如何实现信号加密及提升传输性能。然而，这些文献虽然为OOFDM系统的加密研究发展奠定了基础，但同时存在了一些问题。
经对现有文献检索发现，Xiaonan Hu等人于2015年在光子技术快报(IEEEPhotonics Technology Letters)上，提出了“Chaos-Based Partial Transmit SequenceTechnique for Physical Layer Security in OFDM-PON”(基于混沌的部分传输序列在OFDM-PON物理层的安全加密技术)。该文献中，作者采用了四维超混沌系统来产生混沌的分区信息,混沌的相位加权因子以及混沌的OFDM符号同步训练序列,提供了一个巨大的密钥空间来增强物理层的保密性能，该系统的优点，一方面，在标准单模光纤中，8.9Gb/s的信号能传输20km以上并具有有效对抗穷举攻击的鲁棒性，另一方面提高了OFDM的传输性能，但是分区加密将不可避免地使得计算复杂度剧增。
又经检索发现，2015年Lijia Zhang等人在光学快报(Optics letters)上，提出了“Secure optical generalized filter bank multi-carrier system based on cubicconstellation masked method”(基于立方星座掩盖方法的安全光学广义滤波器组的多载波系统)。该文献中，作者通过立方星座掩盖方法实现了安全性，通过对滤波器组进行立方相屏蔽可以获得巨大的密钥空间和更大的灵活性。然而，在非法接收机的测试中发现，即使所以的掩蔽向量都是错误的，在测试中产生的误码率也仅为0.5左右，不能满足安全性高的系统要求。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，对以光纤为信道的，数据量大，传输速度极快的光OFDM系统进行的加密。本发明解决其技术问题所采用的技术方案：将混沌序列作用于光正交频分复用的导频部分，再在接收端用已知的密钥将导频的原始信号恢复出来，从而进行信道估值恢复出原载波信号。
本发明提供的一种基于混沌序列导频映射的OOFDM加密系统，包括依次连接的OFDM加密模块、光调制模块、光纤传输通道、光电探测模块、OFDM解密模块。OFDM加密模块连接到光调制模块从而产生加密的OOFDM信号；加密的OOFDM信号连接至光纤传输通道实现加密的OOFDM信号在光纤中的传输；光纤传输通道将加密的OOFDM信号传输至光电探测模块，从而实现将加密的OOFDM信号转化为电OFDM信号，电OFDM信号到达OFDM解密模块完成OFDM信号的解调。
所述OFDM加密模块包括混沌信号发生器、二值生成器；具体的OFDM加密模块的实现过程如下：
首先确定加密秘钥的加密秘钥值，然后将加密秘钥值输入混沌信号发生器产生混沌信号序列流；混沌信号序列流经过二值生成器产生二值序列；对原始信号数据进行编码，然后进行QAM映射，对映射后的原始信号数据添加导频；然后将二值序列和添加导频后的原始信号数据进行加密运算，对加密后的数据进行逆傅里叶变换(IFFT)，再添加循环前缀，再然后进行P/S和D/A转换，最终形成加密的OFDM信号；
所述的二值序列和原始数据信号流的加密采用异或加密方法。
所述光调制模块包括激光光源和光调制器；具体的光调制器的作用是将加密的OFDM信号调制到激光光源产生的光载波上。
所述的光电探测模块为一个光电探测器。
所述OFDM解密模块包括混沌信号发生器、二值生成器和加密秘钥；具体的OFDM解密模块的实现过程如下：
将从光电探测模块输出的电OFDM信号进行包括S/P和A/D转换，然后再移除循环前缀；接着再进行傅里叶变换(FFT)；同时将同一加密秘钥值输入同一混沌信号发生器产生混沌信号序列流，混沌信号序列流经过二值生成器产生二值序列；再然后将傅里叶变换后的电OFDM信号和二值序列进行导频信道估计，从而获得加密的OFDM信号在光纤传输信道中的变化。对经过导频信道估计后的信号进行信道均衡，然后再依次去映射、解码，从而恢复出原始信号数据。
所述混沌序列的二值化，即将混沌信号序列流通过二值生成器产生二值序列流(0或1这两个值)，和原始信号相互作用后加密信号。
所述导频信道估计的实现具体如下：
(1)在加密模块的实现过程中加入已知导频，具体的在完成QAM映射后的原始信号数据添加一定形式的已知导频；
(2)根据加密模块中已知的导频信息和解密模块中接收到的导频信息，从而得到导频的信道响应信息H；
(3)在解密模块中得到导频位置的信道响应信息H后，利用数字信号处理技术得到整个信道响应信息。
所述获取混沌序列可采用Logistic混沌系统产生，但不限于该方法。
所述对光OFDM传输系统的导频部分进行混沌加密具体说明如下：在发射端对信号进行QAM映射之后，插入导频，(1)将混沌信号序列与导频值进行相互作用，以改变每个导频值的大小，使得每个导频值随混沌信号序列进行线性或非线性的变换，此时的混沌信号序列相当于是一个钥匙，只有在接收端用同一个混沌信号序列(同一把钥匙)进行逆运算，否则无法正确地恢复出原始信号数据。(2)将混沌信号序列作用于人为插入导频的位置信息，混沌信号序列中的参数与两导频之间距离大小一一对应，从而使得只有在已知混沌信号序列的情况下才能准确地进行信道估值。
所述混沌加密对光传输特性的影响是在基于混沌序列加密的光正交频分复用(OOFDM)光传输系统中，其OFDM信号的幅值和峰值功率比随着加密序列的变化而变化。因此，该加密的光OFDM信号在光纤系统中传输时，光纤色散和非线性等将会对加密信号产生影响，因此，需要进一步研究加密的OFDM信号在光纤传输链路中的性能。
优选的，混沌信号发生器采用的混沌系统可以是一维的，也可以是多维的，本发明中采用一维的Logistic映射，在满足加密需求的同时又可以提高系统效率。
优选的，加密模块中的QAM映射可采用16QAM调制，可为4、16、64等不限于此值，可以为任意的高阶调制方式。
优选的，加密模块中加入循环前缀是用来克服载波多径而产生的色散的影响。
优选的，光电探测器用来接收光纤传输信道中的光信号。
本发明有益效果如下：
1.本加密方案能很好的适应光OFDM传输系统高速率，大容量的性质。
2.本加密方案安全性高。
3.本加密方案时间空间代价低，可实现性高。
4.可以在不占用和不改变原有信号的分布的情况下，实现系统的加密。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是基于光OFDM传输系统的混沌加密流程图。
图2是对光OFDM导频混沌加密的示意图。
图3是基于混沌序列对梳状导频序列作用的示意图。
图4是基于混沌序列对梳状导频位置作用的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：将混沌序列作用于光正交频分复用的导频部分，再在接收端用已知的密钥将导频的原始信号恢复出来，从而进行信道估值恢复载波信号，此方法仅需要通过混沌序列来确定插入导频的位置及导频参数，可以在不占用和不改变原有信号的分布的情况下，实现系统的加密，此外，本发明还可同时采用这两种方法，在一定程度上使加密安全性成倍提高，最后，该方法简单易实现。
具体地，如图1所示，在本实施例中所述基于混沌序列导频映射的OOFDM加密通信系统包括：基于导频映射的混沌序列加密模块，光调制模块，光纤传输信道，光电探测模块，OFDM解密模块。其中：OFDM加密模块与光调制模块的一端相连，光调制模块的另一端产生的加密的OOFDM信号连接至传输光纤，传输光纤连接至光电探测模块实现了将加密的光OFDM信号转化为电OFDM信号，电OFDM信号到达OFDM解密模块完成OFDM信号的解调。
所述基于导频映射的混沌序列加密模块用于产生加密的OOFDM信号，如图2所示，混沌信号序列流和OFDM调制单元的导频部分相互作用，对原始信号进行加密。
所述光调制模块包括激光器和光调制器，激光器产生光载波，光调制器将经过IFFT、添加循环前缀和P/S转换，D/A转换后的信号调制到光载波上。
光调制模块的另一端和所述光纤传输信道相连，光纤传输信道用来传输调制后的光载波。
光电探测模块连接至光纤传输信道的另一端，用来接收光纤传输信道中的光信号。
光电探测模块的另一端连接至所述OFDM解调单元，光电探测器接收到的光信号进过OFDM解调模块的S/P转换，A/D转换，移除循环前缀，FFT变换等过程后，恢复出加密信号，经导频信道估计后恢复出原始信号。
再如图2所示，混沌序列生成部分包括依次相连的加密秘钥，混沌信号发生器，混沌信号序列流，二值生成器。本发明中混沌信号发生器采用一维的Logistic映射，加密秘钥为Logistic的初始值，初始值的微小差异会导致混沌系统的巨大差异，从而保证了加密秘钥的不可穷举性。Logistic混沌系统产生在0到1之间的混沌序列，经过所述二值生成器后生成0，1序列流；导频映射加密部分主要由加密算法和映射组成。具体的加密算法可以有多种，本发明中采用异或算法，即将原始信号和经过二值生成器后产生的0,1数据流进行异或运算。从而对原始信号经行加密。
导频映射加密后将会改变导频序列或导频位置信息，从而增强了信息的安全性。
进一步的，基于导频映射的混沌序列解密单元和加密单元大同小异，需要注意的是加密秘钥和所使用的混沌系统需和基于导频映射的混沌序列加密单元部分的完全相同。导频映射解密部分将经过光电检测器及OFDM解调后得到的信号和产生的混沌序列流进行异或处理便可以恢复出原始信号。
如图3所示，在本实施例中，结合基于梳状导频的LS信道估计算法的步骤进行详细说明(也可结合块状导频等其他导频形式进行处理，不限于该方法)。
(1)设共有N＝2K条载波，共有M个OFDM符号，导频间隔为L，则导频子载波共有p个。
(2)如图3所示，在发射端的发送信号中的导频位置插入导频子载波，记第n个导频子载波在频率轴上的位置为in，记第n条导频子载波为X(in，:)，记导频子载波向量为Xp。将混沌序列an(in，:)与对应的第n条导频作线性运算得出加密的子载波向量Xp′，Xp′＝an·Xp+t。
Xp＝[X(i1,：)；X(i2,：)；...；X(in,：)；...；X(ip,：)]p×M
(3)在接收端对接收信号在同等导频位置in处提取出导频子载波，记提取出的第n条导频子载波为Y(in，:)，记提取出的导频向量为Yp。并利用最小二乘法估计出信道中导频子载波的频率响应，记第n条导频子载波的频率响应为记频率响应向量为
Yp＝[Y(i1,：)；Y(i2,：)；...；Y(in,：)；...；Y(ip,：)]p×M
由此得出，已知接收端接收到信息Z后，原始信息为
结合图4，导频间隔L亦可用混沌序列来调制变化，如采用4级m序列，状态表及对应关系如下表所示，该加密方案只有在已知加密序列后，方能进行导频子载波的频率响应计算，否则无法进行准确的信道估计。
时钟 X1X2X3X4 L
0 0001 L0
1 1000 L1
2 0100 L2
3 0010 L3
4 1001 L4
5 1100 L5
6 0110 L6
7 1011 L7
8 0101 L8
9 1010 L9
10 1101 L10
11 1110 L11
12 1111 L12
13 0111 L13
14 0011 L14
15 0001 L15
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种基于混沌序列导频映射的OOFDM加密系统，其特征在于包括依次连接的OFDM加密模块、光调制模块、光纤传输通道、光电探测模块、OFDM解密模块；OFDM加密模块连接到光调制模块从而产生加密的OOFDM信号；加密的OOFDM信号连接至光纤传输通道实现加密的OOFDM信号在光纤中的传输；光纤传输通道将加密的OOFDM信号传输至光电探测模块，从而实现将加密的OOFDM信号转化为电OFDM信号，电OFDM信号到达OFDM解密模块完成OFDM信号的解调；
所述的OFDM加密模块包括混沌信号发生器、二值生成器；具体的OFDM加密模块的实现过程如下：
首先确定加密秘钥的加密秘钥值，然后将加密秘钥值输入混沌信号发生器产生混沌信号序列流；混沌信号序列流经过二值生成器产生二值序列；对原始信号数据进行编码，然后进行QAM映射，对映射后的原始信号数据添加导频；然后将二值序列和添加导频后的原始信号数据进行加密运算，对加密后的数据进行逆傅里叶变换，再添加循环前缀，再然后进行P/S和D/A转换，最终形成加密的OFDM信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于混沌序列导频映射的OOFDM加密系统，其特征在于所述的二值序列和原始数据信号流的加密采用异或加密方法。
3.根据权利要求1所述的一种基于混沌序列导频映射的OOFDM加密系统，其特征在于所述光调制模块包括激光光源和光调制器；具体的光调制器的作用是将加密的OFDM信号调制到激光光源产生的光载波上。
4.根据权利要求1所述的一种基于混沌序列导频映射的OOFDM加密系统，其特征在于所述的OFDM解密模块包括混沌信号发生器、二值生成器和加密秘钥；具体的OFDM解密模块的实现过程如下：
将从光电探测模块输出的电OFDM信号进行包括S/P和A/D转换，然后再移除循环前缀；接着再进行傅里叶变换；同时将同一加密秘钥值输入同一混沌信号发生器产生混沌信号序列流，混沌信号序列流经过二值生成器产生二值序列；再然后将傅里叶变换后的电OFDM信号和二值序列进行导频信道估计，从而获得加密的OFDM信号在光纤传输信道中的变化；对经过导频信道估计后的信号进行信道均衡，然后再依次去映射、解码，从而恢复出原始信号数据。
5.根据权利要求4所述的一种基于混沌序列导频映射的OOFDM加密系统，其特征在于所述导频信道估计的实现具体如下：
(1)在加密模块的实现过程中加入已知导频，具体的在完成QAM映射后的原始信号数据添加一定形式的已知导频；
(2)根据加密模块中已知的导频信息和解密模块中接收到的导频信息，从而得到导频的信道响应信息H；
(3)在解密模块中得到导频位置的信道响应信息H后，利用数字信号处理技术得到整个信道响应信息
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