CN105577360B - 一种基于混沌序列映射的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映射的OOFDM加密系统。本发明包括基于混沌序列映射加密的光发射模块、光纤传输模块和基于混沌序列映射解密的光接收模块，光发射模块、光纤传输模块和光接收模块依次连接。基于混沌序列映射加密的光发射模块包括混沌加密单元和OFDM调制单元；其中混沌加密单元通过OFDM调制单元与光纤传输模块一端相连接；基于混沌序列映射解密的光接收模块包括混沌解密单元和OFDM解调单元；光纤传输模块另一端通过OFDM解调单元与混沌解密单元相连接。发明充分利用混沌系统对初值敏感性的特点，极大的提高了加密的安全性，同时较好地保持OFDM调制的正交性同时，降低了因加密而带来的系统性能的损伤。

Description

一种基于混沌序列映射的OOFDM加密系统
技术领域
本发明涉及光通信加密技术领域，具体的涉及一种基于混沌序列映射的OOFDM加密系统。
背景技术
随着通信技术的不断发展和成熟，人们对通信速率的要求越来越高。随着以数据通信和图像通信为主的第四代移动通信的应用，光纤通信成为了移动通信的主要方式。光正交频分复用(Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OOFDM)技术作为一种可以有效对抗信号波形干扰的光通信技术，引起了广泛的关注。同时，针对OOFDM系统的数据加密也成为了OOFDM系统应用中不得不解决的一个问题。
近年来，混沌加密得到了越来越广泛的关注。由于混沌信号具有随机特性，对初始条件的敏感依赖性和类似噪声的宽功率谱密度，使得混沌信号很难被破译；此外，利用混沌电路实现保密通信，可用简单的电路实现基本的加密功能的同时还使得信号的频谱得以扩展等。混沌序列的这些特性使得混沌加密在信息加密领域中的地位越来越重要。
经检索发现，Xioanan Hu等人在IEEE光子技术快报(Photonics TechnologyLetters)杂志上发表了题为”Chaos-Based Partial Transmit Sequence Technique forPhysical Layer Security in OFDM-PON”的文章。该论文中，作者采用四维的混沌系统，以混沌系统的初始值作为秘钥，产生混沌序列来控制OFDM调制中正交振幅调制(QAM)的相位因子，实现了对OFDM传输系统物理层的加密。然而，该方案采用四维的混沌系统对QAM映射的相位因子进行加密，四维混沌序列的使用一方面增加了系统的复杂度，另一方面QAM映射相位因子的改变也会在一定程度上破坏了OFDM信号的正交性，因而在一定程度上将会引起系统性能的降低，调成成本的增加以及系统效率的降低。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于混沌序列映射的OOFDM加密系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案具体如下：
本发明包括基于混沌序列映射加密的光发射模块、光纤传输模块和基于混沌序列映射解密的光接收模块，其特征在于光发射模块、光纤传输模块和光接收模块依次连接；
所述基于混沌序列映射加密的光发射模块包括混沌加密单元和OFDM调制单元；其中混沌加密单元通过OFDM调制单元与光纤传输模块一端相连接；
所述基于混沌序列映射解密的光接收模块包括混沌解密单元和OFDM解调单元；光纤传输模块另一端通过OFDM解调单元与混沌解密单元相连接；
所述的混沌加密单元的加密过程具体如下：
首先确定加密秘钥的加密密钥值，然后将加密密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；对二值序列和原始数据信号流进行混沌加密，经过加密后进行QAM映射后生成映射数据流，映射数据流依次经过OFDM调制单元、光纤传输模块和OFDM解调单元后生成解调后未解密的数据流；
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；
所述的混沌解密单元的解密过程具体如下：
所述基于OFDM QAM映射的混沌解密单元包括加密秘钥，然后将加密密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解密二值序列；将解调后未解密的数据流去映射获取取映射后未解密的数据流；将解密二值序列和去映射后未解密的数据流进行异或，从而恢复出原始数据信号流。
所述的光纤传输模块包括激光器、光调制器、光纤和光电探测器；且激光器、光调制器、光纤和光电探测器依次连接；激光器发射激光至光调制器，光调制器将OFDM调制单元传输的数据流调制到激光器产生的光载波上，然后通过光纤传输至光电探测器。
所述OFDM调制单元用于调制混沌加密单元加密后的数据流,具体的包括QAM映射，导频的插入，IFFT变换，添加循环前缀，P/S和D/A转换。
所述OFDM解调单元用于解调经过光电探测器传输的数据流，具体的包括S/P和A/D转换，移除循环前缀，FFT变换，导频信道估计、信道均衡和去映射。
混沌信号发生器指确定的混沌系统，包括Logistic混沌系统、Henon混沌系统和Lorenz混沌系统等，其中混沌信号发生器优选Logistic混沌系统，具体的：Logistic混沌系统的迭代形式表示如下
xn+1＝f(xn)＝μ*xn*(1-xn)
其中x0∈(0,1)，系统参数,μ∈[0,4]，当3.5699≤μ≤4时，该Logistic混沌系统处于稳定的混沌状态；3.5699≤μ≤4被称为Logistic映射的混沌区域，此时产生的混沌序列定义在区间(0,1)上。
优选的，光纤传输模块中的激光器用来产生光载波。
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，基于OFDM QAM映射的混沌加密单元中的二值生成器用来将生成的混沌序列转换成0或1这两个值，和原始信号相互作用后产生加密信号。
优选的，OFDM调制单元的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，OFDM调制单元的插入导频用来进行信道估计。
优选的OFDM调制单元中加入循环前缀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。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)本加密方案简单、易于实现，仅需要OFDM信号的映射前加以操作，可能较好的使用在高速率、大容量传输的OOFDM系统中；
2)由于混沌系统的初值敏感性，保证了秘钥容量的无穷大，本专利可以极大的降低了加密信息被破解的可能；
3)本加密方案采用异或操作和混沌序列码双重加密方案，可在一定程序上提高系统的安全性。
4)本加密方案仅需在数字域操作，硬件方面易于操作，从而其实现简单，可操作性强。
综上所述，本发明的目的是提供一种安全性好，系统效率高的基于混沌序列映射的OOFDM加密系统。
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为基于混沌序列映射的OOFDM通信系统流程示意图；
图2为基于OFDM QAM映射的混沌加密单元示意图；
图3(a)和3(b)为对OFDM调制单元的QAM映射加密后效果示意图；
图4为基于OFDM QAM映射的混沌解密单元示意图；
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。
本发明充分利用混沌序列的初值敏感性和不可预测性的特点以及高速数字处理的异或操作，实现了信号的双重加密，可在一定程度上提高OOFDM系统加密的安全性，降低信息泄露的风险；此外，对OOFDM的QAM映射部分进行加密，算法简单，硬件方面易于实现。
如图1所示，本发明包括基于混沌序列映射加密的光发射模块、光纤传输模块和基于混沌序列映射解密的光接收模块，其特征在于光发射模块、光纤传输模块和光接收模块依次连接；
所述基于混沌序列映射加密的光发射模块包括混沌加密单元和OFDM调制单元；其中混沌加密单元通过OFDM调制单元与光纤传输模块一端相连接；
所述基于混沌序列映射解密的光接收模块包括混沌解密单元和OFDM解调单元；光纤传输模块另一端通过OFDM解调单元与混沌解密单元相连接；
如图2所示，混沌加密单元的加密过程具体如下：
首先确定加密秘钥的加密密钥值，然后将加密密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；对二值序列和原始数据信号流进行混沌加密，经过加密后进行QAM映射后生成映射数据流，映射数据流依次经过OFDM调制单元、光纤传输模块和OFDM解调单元后生成解调后未解密的数据流；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行。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；QAM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。
混沌信号发生器指确定的混沌系统，包括Logistic混沌系统、Henon混沌系统和Lorenz混沌系统，其中混沌信号发生器优选Logistic混沌系统，具体的：Logistic混沌系统的迭代形式表示如下
xn+1＝f(xn)＝μ*xn*(1-xn)
其中x0∈(0,1)，系统参数,μ∈[0,4]，当3.5699≤μ≤4时，该Logistic混沌系统处于稳定的混沌状态；3.5699≤μ≤4被称为Logistic映射的混沌区域，此时产生的混沌序列定义在区间(0,1)上。
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；
混沌解密单元的解密过程具体如下：
所述基于OFDM QAM映射的混沌解密单元包括加密秘钥，然后将加密密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解密二值序列；将解调后未解密的数据流去映射获取取映射后未解密的数据流；将解密二值序列和去映射后未解密的数据流进行异或，从而恢复出原始数据信号流。
所述的光纤传输模块包括激光器、光调制器、光纤和光电探测器；且激光器、光调制器、光纤和光电探测器依次连接；激光器发射激光至光调制器，光调制器将OFDM调制单元传输的数据流调制到激光器产生的光载波上，然后通过光纤传输至光电探测器。
如图3(a)和3(b)所示，所述OFDM调制单元用于调制混沌加密单元加密后的数据流,具体的包括QAM映射，导频的插入，IFFT变换，添加循环前缀，P/S和D/A转换。且OFDM调制单元的QAM映射加密后将会改变原始数据映射的相位，使得相位变的没有规律可循，从而增强了信息的安全性。效果如图3所示。
所述OFDM解调单元用于解调经过光电探测器传输的数据流，具体的包括S/P和A/D转换，移除循环前缀，FFT变换，导频信道估计、信道均衡和去映射。
进一步的，基于QAM映射的混沌序列解密单元和加密单元大同小异，如图4所示。具体包括混沌序列生成部分和QAM映射解密部分。混沌序列生成部分具体工作流程见上文，此处不再累述。需要注意的是加密秘钥和所使用的混沌系统必须和基于QAM映射的混沌序列加密单元部分的完全相同。QAM映射解密部分将经过光电检测器和OFDM解调单元后得到的信号和产生的混沌序列0,1流再次进行异或处理便可以恢复出来原始信号。

Claims (6)

1.一种基于混沌序列映射的OOFDM加密系统，包括基于混沌序列映射加密的光发射模块、光纤传输模块和基于混沌序列映射解密的光接收模块，其特征在于光发射模块、光纤传输模块和光接收模块依次连接；
所述基于混沌序列映射加密的光发射模块包括混沌加密单元和OFDM调制单元；其中混沌加密单元通过OFDM调制单元与光纤传输模块一端相连接；
所述基于混沌序列映射解密的光接收模块包括混沌解密单元和OFDM解调单元；光纤传输模块另一端通过OFDM解调单元与混沌解密单元相连接；
所述的混沌加密单元的加密过程具体如下：
首先确定加密秘钥的加密密钥值，然后将加密密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；对二值序列和原始数据信号流进行混沌加密，经过加密后进行QAM映射后生成映射数据流，映射数据流依次经过OFDM调制单元、光纤传输模块和OFDM解调单元后生成解调后未解密的数据流；
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；
所述的混沌解密单元的解密过程具体如下：
所述基于OFDM QAM映射的混沌解密单元包括加密秘钥，然后将加密密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解密二值序列；将解调后未解密的数据流去映射获取去映射后未解密的数据流；将解密二值序列和去映射后未解密的数据流进行异或，从而恢复出原始数据信号流。
2.根据权利要求1所述的一种基于混沌序列映射的OOFDM加密系统，其特征在于光纤传输模块包括激光器、光调制器、光纤和光电探测器；且激光器、光调制器、光纤和光电探测器依次连接；激光器发射激光至光调制器，光调制器将OFDM调制单元传输的数据流调制到激光器产生的光载波上，然后通过光纤传输至光电探测器。
3.根据权利要求2所述的一种基于混沌序列映射的OOFDM加密系统，其特征在于所述OFDM调制单元用于调制混沌加密单元加密后的数据流。
4.根据权利要求2所述的一种基于混沌序列映射的OOFDM加密系统，其特征在于所述OFDM解调单元用于解调经过光电探测器传输的数据流。
5.根据权利要求2所述的一种基于混沌序列映射的OOFDM加密系统，其特征在于混沌信号发生器指确定的混沌系统，包括Logistic混沌系统、Henon混沌系统和Lorenz混沌系统。
6.根据权利要求5所述的一种基于混沌序列映射的OOFDM加密系统，其特征在于混沌信号发生器指Logistic混沌系统，具体的：
Logistic混沌系统xn的迭代表达式如下
xn+1＝f(xn)＝μ*xn*(1-xn)
其中，x0∈(0,1),系统参数μ∈[0,4]，当3.5699≤μ≤4时，该Logistic混沌系统处于稳定的混沌状态；3.5699≤μ≤4被称为Logistic映射的混沌区域，此时产生的混沌序列定义在区间(0,1)上。
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