CN107579961B - 一种接入网的信息保密传输方法 - Google Patents

一种接入网的信息保密传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种接入网的信息保密传输方法，先随机产生安全密钥，且每个用户所用的安全密钥以及每次数据加密所用的安全密钥不同；在发送端，待传输比特序列首先转换为符号序列，然后进行Turbo网格编码，两层加密过程伴随编码过程进行，安全密钥随机产生同时也被保存下来共享给接收端，发送给不同用户的数据用不同的安全密钥进行加密，然后不同用户的信息复用为一路OFDM信号进行传输；在接收端，每个ONU均可获得发送端发送的OFDM信号，由于每个ONU只能获得对应发端共享的安全密钥，再还原出比特序列，其他的ONU无法知道该ONU的密钥且窃听者无法通过暴力破解或者数据分析法获取正确的信息序列，从而保证了通信的安全性。

Description

一种接入网的信息保密传输方法
技术领域
本发明属于接入网领域，更为具体地讲，涉及一种接入网的信息保密传输方法。
背景技术
互联网技术的蓬勃发展带来了通信领域革命性的改变，伴随而来的是通信安全问题的日益突出。光接入网络是承载互联网运行的主要基础设施，全光通信(all opticalcommunication,AOC)网络更是未来发展的大势所趋，所以研究光接入网络的安全问题及其增强技术对保证互联网安全具有重要意义。
物理层安全技术具有实施方式灵活、复杂度低、全信息保密等特点，所以成为最具潜力的光接入网安全性增强技术之一。Turbo网格编码(Turbo-Trellis CodedModulation,TTCM)是Turbo码与不同高阶调制相结合的方案，既有Turbo码在低信噪比条件下具有近Shannon理论极限译码性能的优点，又具备网格编码(Trellis CodedModulation,TCM)不增加系统带宽和减小数据传输速率的条件下取得优异的译码性能的优势。混沌序列的伪随机特性和对初始条件和迭代参数敏感、遍历性等特性，与加密理论密切相关，近年来在加密领域应用广泛。
据已有文献，目前尚未有将布朗运动加密的TTCM编码技术用于接入网物理层的方案，在[Lijia Zhang,Bo Liu,Xiangjun Xin,and Yongjun Wang,“Joint robustnesssecurity in optical OFDM access system with Turbo-coded subcarrier rotation[J]”.Optics express，中提出了将Turbo码与混沌技术融合用于OFDM-PON系统，达到了保证安全性和提升系统鲁棒性的效果，但由于Turbo编码和译码过程均基于比特数据，编码效率低，在接入网的高数据速率环境下，引入的处理时延相对较大，带宽利用率低。在[Chenglong Zhou,Wei Hu,Lin Wang,and Guanrong Chen,“Turbo Trellis-codedDifferential Chaotic Modulation[J]”.IEEE Transactions on Circuits and SystemsII:Express Briefs,]中提出了一种基于Turbo网格编码的差分混沌调制方法，但由于其研究背景为无线信道，为了解决瑞利衰落信道或者高斯噪声信道中噪声影响，每一个符号周期中有1/2不携带信息，而光纤信道中主要是色散和非线性的影响，不能直接借鉴。在[WeiZhang,Chongfu Zhang,Chen Chen,Huijuan Zhang,and Kun Qiu,“Brownian MotionEncryption for Physical-layer Security Improvement in CO-OFDM-PON[J]”.IEEEPhotonics Technology Letters]中提出了一种基于布朗运动的混沌扰乱方法，通过两次扰乱，起到了很好的加密效果，但这种方法会对标准的QAM星座图进行扰乱，可能会对系统传输性能提出挑战。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种接入网的信息保密传输方法，融合了信道编码与加密技术，从而解决无源光网络中信息不安全以及信息加密后信道传输性能降低的问题。
为实现上述发明目的，本发明一种接入网的信息保密传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、在需要加密通信的发送端和接收端，通过混沌映射约定奇偶分组交织器和信道交织器的共享安全密钥；
(2)、在发送端对待传输的信息比特序列进行加密传输；
(2.1)、先将信息比特序列Xn转换为符号序列Xk，再将符号序列Xk分别送入第一网格编码调制器和奇偶分组交织器；
(2.2)、第一网格编码调制器对符号序列Xk进行网格编码，得到编码后的符号序列Yk；
(2.3)、奇偶分组交织器根据约定的共享安全密钥对符号序列Xk进行奇偶分组交织扰乱，得到扰乱后的符号序列
Figure BDA0001387143120000021
再将符号序列
Figure BDA0001387143120000022
输入至第二网格编码调制器，通过第二网格编码调制器对符号序列
Figure BDA0001387143120000023
进行网格编码，得到编码后的符号序列
Figure BDA0001387143120000024
最后通过奇偶分组解交织器对符号序列
Figure BDA0001387143120000025
进行解交织，得到符号序列
Figure BDA0001387143120000026
(2.4)、选择器交替选择输出符号序列Yk的奇数位符号和符号序列
Figure BDA0001387143120000027
的偶数位符号，组成符号序列Wk，信道交织器按照约定共享安全密钥再对符号序列Wk进行交织扰乱，完成符号序列的加密；
(2.5)、加密后的符号序列进行QAM映射、逆傅里叶变换、并串转换、数模转化得到电OFDM信号，再对电OFDM信号进行直接强度调制，得到光纤上传输的光OFDM信号；
(3)、在接收端对传输的光OFDM信号进行解密，还原出信息比特序列；
(3.1)、先通过光探测器对接收到的光OFDM信号进行光电转换，得到电OFDM信号，然后对电OFDM信号进行模数转化、串并转换、傅里叶变换和QAM解映射，得到解调后的符号序列Rk；
(3.2)、信道解交织器按照发送端约定的共享安全密钥对Rk进行解交织操作，并将解交织后的符号序列通过分组器分离为Ip1和Ip2两路符号序列，其中，Ip1对应于第一网格编码调制器的系统信息和校验信息，Ip2对应于第二网格编码调制器的系统信息和校验信息；
(3.3)、将Ip1送入第一Log-Map译码器进行译码，输出包含外部信息和系统信息的符号序列，再将该符合序列再输入至第一奇偶分组交织器进行奇偶分组交织扰乱，再将扰乱后的符号序列作为先验信息送入第二Log-Map译码器；
(3.4)、Ip2经过第二奇偶分组交织器进行奇偶分组交织扰乱后输入至第二Log-Map译码器进行译码，输出包含外部信息和系统信息的符号序列，再将该符合序列再输入至第一奇偶分组解交织器进行解交织，并将解交织的结果作为先验信息，送入到第一Log-Map译码器；
(3.5)随着迭代过程的进行，先验信息在两个Log-Map译码器之间多次交换，最后将I次迭代之后第二Log-Map译码器的输出符号序列输入至第二奇偶分组解交织器进行解交织，并将解交织的结果输入到硬判决模块，作为硬判决输出，从而还原出信息比特序列。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种接入网的信息保密传输方法，先随机产生安全密钥，且每个用户所用的安全密钥以及每次数据加密所用的安全密钥不同；在发送端，待传输比特序列首先转换为符号序列，然后进行Turbo网格编码，两层加密过程伴随编码过程进行，安全密钥随机产生同时也被保存下来共享给接收端，发送给不同用户的数据用不同的安全密钥进行加密，然后不同用户的信息复用为一路OFDM信号进行传输；在接收端，每个ONU均可获得发送端发送的OFDM信号，由于每个ONU只能获得对应发端共享的安全密钥，再还原出比特序列，其他的ONU无法知道该ONU的密钥且窃听者无法通过暴力破解或者数据分析法获取正确的信息序列，从而保证了通信的安全性。
同时，本发明一种接入网的信息保密传输方法还具有以下有益效果：
(1)、本发明中发送端编码和接收端译码操作都是在电域进行，因而本发明的系统硬件成本较低。
(2)、本发明不仅适用于基于16QAM调制的OFDM-PON,而且适用于8PSK调制或者64QAM调制的OFDM-PON,也适用于无线通信信道。
(3)、本发明中基于符号进行编码和加密操作，与基于比特的操作相比，处理速率更快、复杂度更低。
(4)、本发明中密钥参数随机产生且可以不断更新，并且有两次加密过程使得整个系统具有高保密性。
(5)、本发明中的编码方案相比较于其他编码方案而言，带宽传输效率更高。
附图说明
图1是本发明一种接入网的信息保密传输方法流程图；
图2是发送端的加密原理图；
图3是接收端的解密原理图；
图4是采用本发明所述接入网的信息保密传输方法的实验结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
为了方便描述，先对具体实施方式中出现的相关专业术语进行说明：
TTCM(Turbo Trellis-Coded Modulation):Turbo网格编码；
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing):正交频分复用；
BER(Bit Error Rate):误码率；
OLT(Optical Line Terminal)：光线路终端；
ONU(Optical Network Unit)：光网络单元；
IM/DD(Intensity Modulation/Direct Detection)：直接强度调制直接探测
PD(Photodiode):光电二极管；
MZM(Mach-Zehnder Modulator):马赫曾德尔调制器；
FFT(Fast Fourier Transform):快速傅里叶变换；
IFFT(Inverse Fast Fourier Transform):快速逆傅里叶变换；
PON(Passive Optical Network):无源光网络；
ADC(Analog-to-Digital Converter):模数转换；
DAC(Digital-to-Analog Converter)：数模转换；
AWG(Arbitrary Waveform Generator):任意波形发生器；
图1是本发明一种接入网的信息保密传输方法流程图。
在本实施例中，结合图1对本发明一种接入网的信息保密传输方法进行详细说明，具体包括以下步骤：
S1、在需要加密通信的发送端和接收端，通过混沌映射约定奇偶分组交织器和信道交织器的共享安全密钥；
在本实施例中，共享安全密钥可以随着迭代次数变化不断更新，且每个用户所用的安全密钥以及每次数据加密所用的安全密钥不同；
S2、如图2所示，在发送端对待传输的信息比特序列进行加密传输；
S2.1、先将n比特的信息比特序列Xn转换为符号序列Xk，经过比特-符号转换后为k＝n/m符号序列，m为每个符号包含的信息比特数，再将符号序列Xk分别送入网格编码调制器1和奇偶分组交织器；
S2.2、网格编码调制器1对符号序列Xk进行网格编码，得到编码后的符号序列Yk；经过网格编码调制器1的编码后符号数不变，但是每个符号中包含的比特数变为m+1,即生成了一位校验位；
S2.3、奇偶分组交织器根据约定的共享安全密钥对符号序列Xk进行奇偶分组交织扰乱，得到扰乱后的符号序列
Figure BDA0001387143120000051
再将符号序列
Figure BDA0001387143120000052
输入至网格编码调制器2，通过网格编码调制器2对符号序列
Figure BDA0001387143120000053
进行网格编码，得到编码后的符号序列
Figure BDA0001387143120000054
最后通过奇偶分组解交织器对符号序列
Figure BDA0001387143120000055
进行解交织，得到符号序列
Figure BDA0001387143120000056
在本实施例中，由于第二路编码输入的符号序列经过奇偶分组交织器的奇偶分组交织扰乱后与第一路序列编码后的符号顺序不同，故而编码结果不同，而两路序列中都包含了系统信息，重复传输造成带宽浪费，所以将第二路编码输出结果进行解交织，方便删余处理；
S2.4、选择器交替选择输出符号序列Yk的奇数位符号和符号序列
Figure BDA0001387143120000061
的偶数位符号，组成符号序列Wk，将两路富含序列合并为一路长度为k的序列Wk，以提高信息传输的效率；
信道交织器按照约定共享安全密钥再对符号序列Wk进行交织扰乱，完成符号序列的加密；
在本实施例中，奇偶分组交织器和奇偶分组解交织器以及信道交织器交织长度均为k。
如表1所示，以10个符号序列为例，网格编码调制器1直接对符号序列进行编码，网格编码调制器2在编码前需要先对符号序列进行交织，该交织过程属于奇偶分组交织，即奇数位符号间互换位置，偶数位符号间互换位置，编码后的序列再按照交织过程的逆过程还原符号位置。选择器的作用就是对两路序列进行选择，奇数位依次输出第一路编码符号的奇数位，偶数位依次输出第二路编码符号的偶数位。为进一步增强安全性，对删余后输出的序列进行随机扰乱，即可得到TTCM编码的符号序列。
表1是10个符号序列的编码数据表；
符号序列 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10
编码器1输出 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 Y9 Y10
交织序列 X1 X10 X9 X8 X7 X6 X5 X4 X3 X2
编码器2输出 Z1 Z10 Z9 Z8 Z7 Z6 Z5 Z4 Z3 Z2
解交织序列 Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8 Z9 z10
选择器输出 Y1 Z2 Y3 Z4 Y5 Z6 Y7 Z8 Y9 Z10
信道交织输出 Z4 Z10 Y3 Z6 Y7 Y1 Z2 Y9 Y5 Z8
表1
S2.5、加密后的符号序列进行QAM映射、逆傅里叶变换、并串转换、数模转化得到电OFDM信号，再对电OFDM信号进行直接强度调制，得到光纤上传输的光OFDM信号；
在本实施例中，采用MZM调制器进行直接强度调制，激光器生成激光注入MZM调制器作为调制光源。
S3、如3所示，在接收端对传输的光OFDM信号进行解密，还原出信息比特序列；
S3.1、先通过光探测器对接收到的光OFDM信号进行光电转换，得到电OFDM信号，然后对电OFDM信号进行模数转化、串并转换、傅里叶变换和QAM解映射，得到解调后的符号序列Rk；
S3.2、信道解交织器按照发送端约定的共享安全密钥对Rk进行解交织操作，并将解交织后的符号序列通过分组器分离为Ip1和Ip2两路符号序列，其中，Ip1对应于网格编码调制器1的系统信息和校验信息，Ip2对应于网格编码调制器2的系统信息和校验信息；
S3.3、将Ip1送入Log-Map译码器1进行译码，输出包含外部信息和系统信息的符号序列，再将该符合序列再输入至奇偶分组交织器1进行奇偶分组交织扰乱，再将扰乱后的符号序列作为先验信息送入Log-Map译码器2；
在Log-Map译码算法中，用符号概率代替比特概率作为译码器之间交换的外部信息，并且应该避免在每个分量译码器的每一次译码迭代过程中重复使用同样的系统信息；
S3.4、Ip2经过奇偶分组交织器2进行奇偶分组交织扰乱后输入至Log-Map译码器2进行译码，输出包含外部信息和系统信息的符号序列，再将该符合序列再输入至奇偶分组解交织器1进行解交织，并将解交织的结果作为先验信息，送入到Log-Map译码器1；
S3.5、随着迭代过程的进行，先验信息在两个Log-Map译码器之间多次交换，最后将I次迭代之后第二Log-Map译码器的输出符号序列输入至奇偶分组解交织器2进行解交织，并将解交织的结果输入到硬判决模块，作为硬判决输出，从而还原出信息比特序列；
由于不能在一个符号内将系统信息部分和外部信息的影响分离开来，这样，在两个分量译码器之间，系统信息和外部信息都要进行交换。如图，Log-Map译码器1输出的外部信息和系统信息经过交织器后作为Log-Map译码器2的先验信息输入，送入Log-Map译码器2的系统信息和校验信息也需要先进行交织，然后再译码，译码输出的外部信息和系统信息经过解交织之后才能作为Log-Map译码器1先验信息，为避免在每个分量译码器的每一次译码迭代过程中重复使用同样的系统信息，每个译码器轮流接收它所对应的分量编码器输出的经过有噪信道传输后的码字；
图4是采用本发明所述接入网的信息保密传输方法的实验结果图。
在图4中，纵轴取误码率以10为底的对数，分别对比分析了不同OFDM信号和不同ONU的BER值随接收光功率变化的曲线图；
图中曲线对比了①没有经过光纤传输的背靠背系统和传输25km光纤的传输系统中信号的性能，②经过混沌Turbo网格编码调制和未编码调制信号的传输性能。
对比结论：
1)、两个合法用户的曲线趋势基本一致，在BER＝10-3都能够很好恢复信号；
2)、在BER＝10-3时，经过混沌Turbo网格编码调制的信号比没有经过编码的信号的性能好2dB，即改善了接受光功率灵敏度或者说改善了传输信道的BER性能；
3)、BER＝10-3时，光纤传输信道的性能与背靠背系统相比，损失约1dB；
4)、实验结果显示，非法用户在没有正确安全秘钥的前提下，BER的值始终接近0.5，不会随着接收光功率变化有大的起伏，所以基本不可能获得有用信息；
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种接入网的信息保密传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、在需要加密通信的发送端和接收端，通过混沌映射约定奇偶分组交织器和信道交织器的共享安全密钥；
(2)、在发送端对待传输的信息比特序列进行加密传输；
(2.1)、先将信息比特序列Xn转换为符号序列Xk，再将符号序列Xk分别送入第一网格编码调制器和奇偶分组交织器；
(2.2)、第一网格编码调制器对符号序列Xk进行网格编码，得到编码后的符号序列Yk；
(2.3)、奇偶分组交织器根据约定的共享安全密钥对符号序列Xk进行奇偶分组交织扰乱，得到扰乱后的符号序列
Figure FDA0002386887210000011
再将符号序列
Figure FDA0002386887210000012
输入至第二网格编码调制器，通过第二网格编码调制器对符号序列
Figure FDA0002386887210000013
进行网格编码，得到编码后的符号序列
Figure FDA0002386887210000018
最后通过奇偶分组解交织器对符号序列
Figure FDA0002386887210000015
进行解交织，得到符号序列
Figure FDA0002386887210000016
(2.4)、选择器交替选择输出符号序列Yk的奇数位符号和符号序列
Figure FDA0002386887210000017
的偶数位符号，组成符号序列Wk，信道交织器按照约定共享安全密钥再对符号序列Wk进行交织扰乱，完成符号序列的加密；
(2.5)、加密后的符号序列进行QAM映射、逆傅里叶变换、并串转换、数模转化得到电OFDM信号，再对电OFDM信号进行直接强度调制，得到光纤上传输的光OFDM信号；
(3)、在接收端对传输的光OFDM信号进行解密，还原出信息比特序列；
(3.1)、先通过光探测器对接收到的光OFDM信号进行光电转换，得到电OFDM信号，然后对电OFDM信号进行模数转化、串并转换、傅里叶变换和QAM解映射，得到解调后的符号序列Rk；
(3.2)、信道解交织器按照发送端约定的共享安全密钥对Rk进行解交织操作，并将解交织后的符号序列通过分组器分离为Ip1和Ip2两路符号序列，其中，Ip1对应于第一网格编码调制器的系统信息和校验信息，Ip2对应于第二网格编码调制器的系统信息和校验信息；
(3.3)、将Ip1送入第一Log-Map译码器进行译码，输出包含外部信息和系统信息的符号序列，再将该符号序列再输入至第一奇偶分组交织器进行奇偶分组交织扰乱，再将扰乱后的符号序列作为先验信息送入第二Log-Map译码器；
(3.4)、Ip2经过第二奇偶分组交织器进行奇偶分组交织扰乱后输入至第二Log-Map译码器进行译码，输出包含外部信息和系统信息的符号序列，再将该符号 序列再输入至第一奇偶分组解交织器进行解交织，并将解交织的结果作为先验信息，送入到第一Log-Map译码器；
(3.5)随着迭代过程的进行，先验信息在两个Log-Map译码器之间多次交换，最后将I次迭代之后第二Log-Map译码器的输出符号序列输入至第二奇偶分组解交织器进行解交织，并将解交织的结果输入到硬判决模块，作为硬判决输出，从而还原出信息比特序列。
2.根据权利要求1所述的一种接入网的信息保密传输方法，其特征在于，所述的共享安全密钥是随机产生，奇偶分组交织器和信道交织器的共享安全密钥各不相同。
3.根据权利要求1所述的一种接入网的信息保密传输方法，其特征在于，所述的奇偶分组交织器、奇偶分组解交织器和信道交织器的长度相同。
4.根据权利要求1所述的一种接入网的信息保密传输方法，其特征在于，所述步骤(2.5)中，直接强度调制选用MZM调制器，MZM调制器的调制光源为激光器生成激光。
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