CN110430034A - 一种无源光网络物理层数据加密方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无源光网络物理层数据加密方法及装置，包括：将物理层数据进行串并转换处理，得到并行物理层数据；利用三种调制方式对所述并行物理层数据进行调制处理，得到三种调制方式调制后对应的三种调制信号；所述三种调制方式为8PSK、16QAM、32QAM调制方式；基于混沌加密算法，对所述三种调制信号进行加密处理，得到加密后的调制信号。本发明通过对物理层数据进行多种调制方式调制，对调制信号进行混沌加密处理，能够有效提高数据安全性，提高资源利用率。

Description

一种无源光网络物理层数据加密方法及装置

技术领域

本发明涉及无源光网络技术领域，特别是指一种无源光网络物理层数据加密方法及装置。

背景技术

随着网络流量的指数级增长，无源光网络因其高容量、低成本和高效能等优良性能已成为解决带宽服务需求的优选技术方案。由于无源光网络在下行业务中具有广播性质，非法光网络单元容易获取到用户数据，导致无源光网络的体系结构存在严重的数据安全问题。对无源光网络的物理层数据进行加密能够提高数据安全性，目前的物理层数据加密方法一般只采用一种调制方式，频谱利用率不高，数据安全性不高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种无源光网络物理层数据加密方法及装置，采用多种调制方式对物理层数据进行调制，利用混沌加密算法对物理层数据进行加密，能够提高物理层数据安全性，提高频谱利用率。

基于上述目的，本发明提供了一种无源光网络物理层数据加密方法，包括：

将物理层数据进行串并转换处理，得到并行物理层数据；

利用三种调制方式对所述并行物理层数据进行调制处理，得到三种调制方式调制后对应的三种调制信号；所述三种调制方式为8PSK、16QAM、 32QAM调制方式；

基于混沌加密算法，对所述三种调制信号进行加密处理，得到加密后的调制信号。

可选的，所述基于混沌加密算法，对三种调制信号进行加密处理，得到加密后的调制信号，包括：

采用四维超数字混沌加密算法，生成混沌序列{X}、{Y}、{Z}、{U}；

利用所述混沌序列{X}、{Y}、{Z}、{U}对所述三种调制信号进行加密处理，得到加密后的调制信号。

可选的，所述对所述三种调制信号进行加密处理的方法是：

利用所述混沌序列{X}、{Y}，重新确定所述三种调制方式的星座图的星座点的半径和相位；

对于所述三种调制方式的星座图，根据重新确定的星座点的半径和相位，确定所述星座点的新位置，得到位置扰乱后的星座图，得到位置扰乱后的调制符号；

对于所述位置扰乱后的调制符号，利用所述混沌序列{Z}对所述调制符号进行幅度调制，生成调幅后的调制符号；

利用混沌序列{U}，对所述调幅后的调制符号进行重新组合，生成所述加密后的调制信号。

可选的，对于16QAM、32QAM调制方式，对于任意一个星座点，扰乱后的星座点的半径为：

r_c＝(1-x’)[r_min+(r_max-r_min)x’]+r_o*x’ (2)

其中，r_o为原星座点的半径，r_min是星座点的最小半径，r_max是星座点的最大半径，x’为所述混沌序列{X}经过数据变换得到的序列{X`}中的序列值。

可选的，对于8PSK调制方式，利用所述混沌序列{X`}中的序列值大小，将原星座点向星座点所在圆的圆内或是圆外移动。

可选的，对于所述位置扰乱后的调制符号，利用所述混沌序列{Z}对所述调制符号进行幅度调制，生成调幅后的调制符号，调制方法是：

W(i)＝Re(S(i))*z`(2j-1)+Im(S(i))*z`(2j) (9)

其中，W(i)为所述调幅后的调制符号，Re(S(i))为位置扰乱后的调制符号 S(i)的实部，即所述I路信号，Im(S(i))为位置扰乱后的调制符号S(i)的虚部，即所述Q路信号，对所述混沌序列{Z}进行数据变换得到序列{Z`}，z`(2j)、 z`(2j-1)为所述序列{Z`}中的序列值，i、j大于等于1，j小于等于M，i小于等于N，N为子载波总数，2M为序列{Z`}的序列值总数。

可选的，根据所述三种调制方式，将子载波频率划分成九个频段，确定每种调制方式在并行子载波中的占比量，利用子载波传输对应的加密后的调制信号。

可选的，所述方法还包括：

将所述加密后的调制信号进行快速傅里叶逆变换，然后将输出的并行信号转换为串行信号，之后添加循环前缀，发送到光信道。

本发明实施例还提供一种无源光网络物理层数据加密装置，包括：

串并处理模块，用于将物理层数据进行串并转换处理，得到并行物理层数据；

调制模块，用于利用三种调制方式对并行物理层数据进行调制处理，得到三种调制方式调制后的调制信号；所述三种调制方式为8PSK、16QAM、 32QAM调制方式；

加密模块，用于基于混沌加密算法，对各调制方式对应的调制信号进行加密处理，得到加密后的调制信号；

传输模块，用于将加密后的调制信号分配到子载波上，传输加密后的调制信号。

可选的，所述加密装置包括：

序列生成子模块，用于生成混沌序列{X}、{Y}、{Z}、{U}；

星座图扰乱模块，用于利用所述混沌序列{X}、{Y}对所述三种调制方式对应的星座图的星座点进行扰乱，生成位置扰乱后的星座图，得到位置扰乱后的调制符号；

调幅子模块，用于利用所述混沌序列{Z}，对位置扰乱后的调制符号进行幅度调制，生成调幅后的调制符号；

重组后子模块，用于利用所述混沌序列{U}，对所述三种调制方式的调幅后的调制符号进行重新组合，生成加密后的调制符号。

从上面所述可以看出，本发明提供的无源光网络物理层数据加密方法及装置，对物理层数据利用8PSK、16QAM、32QAM三种调制方式进行调制处理，基于混沌加密算法，对三种调制信号进行加密处理，得到加密后的调制信号，将加密后的调制信号经子载波传输。本发明通过对物理层数据进行多种调制方式调制，对调制信号进行混沌加密处理，能够有效提高数据安全性，提高资源利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的方法流程示意图；

图2为本发明实施例的原理框图；

图3A-3C分别为8PSK、16QAM、32QAM调制星座图；

图3D为本发明实施例的扰乱后的星座图；

图4为本发明实施例的混沌序列的示意图；

图5为本发明实施例的应用于OFDM-PON下行通信的实施例示意图；

图6为本发明实施例的装置结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

图1为本发明实施例的方法流程示意图，图2为不发明实施例的原理框图。如图所示，本发明实施例提供的无源光网络物理层数据加密方法，包括：

S10：将物理层数据进行串并转换处理，得到并行物理层数据；

于一些实施例中，原始的物理层数据为串行的数字信号，将串行的原始物理层数据转换为并行物理层数据。

S11：利用三种调制方式对并行物理层数据进行调制处理，得到三种调制方式调制后的调制信号；

于一些实施例中，利用8PSK、16QAM、32QAM三种调制方式对并行物理层数据进行调制处理。方法是：

1)划分子载波频率范围；

如表1所示，对于8PSK、16QAM、32QAM三种调制方式，两两调制方式相组合，存在九种组合方式，先通过实验分别传输九种I路信号和Q路信号不同调制方式组合下的物理层数据，以频谱利用率和误码率最佳为衡量标准，将子载波频率划分成f0-f1、f1-f2、f2-f3、f3-f4、f4-f5、f5-f6、f6-f7、f7- f8、f8-f9共九个频段。

表1三种调制方式划分的九个频率范围

2)根据划分的子载波频率范围的大小，分别确定三种调制方式在并行子载波中的占比量。

根据划分的九个频率范围中每个频率范围的大小，确定三种调制方式的占比量。例如，如表1所示，频率范围f3-f4对应的I路信号的调制方式为 16QAM，Q路信号的调制方式为16QAM，频率范围f5-f6对应的I路信号的调制方式为8PSK，Q路信号的调制方式为32QAM，假如频率范围f3-f4大于频率范围f5-f6，则16QAM调制方式的占比量大于32QAM和8PSK的占比量。依此类推，按照九个频率范围的频率范围大小，确定出三种调制方式的占比量。

3)按照确定的三种调制方式的占比量，利用三种调制方式对并行物理层数据进行调制处理，得到调制后的调制信号。

如图3A、3B、3C所示，分别为8PSK、16QAM、32QAM三种调制方式对应的调制信号的星座图。

S12：基于混沌加密算法，对各调制方式对应的调制信号进行加密处理，得到加密后的调制信号；

具体方法是：

S120：生成混沌序列；

本发明实施例中，采用四维超数字混沌加密算法，公式为：

其中，a，b，c，d和e是实常数，a，b，c，d和e确定之后，混沌序列{X}、{Y}、{Z}、{U}的大小即可确定。本实施例中，可将a，b，c，d，e作为混沌加密算法的密钥。如图4所示，当取a＝35,b＝10,c＝80,d＝0.5,e＝ 10时，得到的混沌序列{X}、{Y}、{Z}、{U}，混沌序列{X}、{Y}、{Z}、 {U}中的序列值大小在(-10，10)范围之内。

S121：利用混沌序列对各调制方式对应的调制信号进行加密处理，生成加密后的调制信号；

具体包括：

S1210：利用混沌序列{X}、{Y}，重新确定各调制方式的星座图的星座点的半径和相位；

1)对于16QAM和32QAM调制方式

因为16QAM的星座点包含在32QAM星座点之中，因此两种调制方式的星座图扰乱方式可以相同。

对于任意一个星座点，扰乱后的星座点的半径为：

r_c＝(1-x’)[r_min+(r_max-r_min)x’]+r_o*x’ (2)

其中，r_o为原星座点的半径，r_min是星座点的最小半径，r_max是星座点的最大半径，其中，星座点的最小半径为三个星座图中距离原点最近的星座点到原点的距离，星座点的最大半径为三个星座图中距离原点最远的星座点到原点的距离。对于每一种调制方式，通过对从最小半径到最大半径之间所有的星座点进行扰乱，能够保证扰乱后的星座图覆盖所有的星座点。

在本实施例中，得到的混沌序列{X}的所有序列值取值在(-10，10)之间，按照公式(3)进行数据变换，使得变换后的序列{X`}的所有序列值取值在(0，1)之间均匀分布。

x`＝(x+10)/20 (3)

对于任意一个星座点，扰乱后的星座点的相位为：

θ_c＝θ_o+y′ (4)

其中，θ_o为原星座点的角度，其中，星座点的角度是X轴正向沿顺时针方向与星座点与原点之间的连线之间的夹角。

在本实施例中，得到的混沌序列{Y}的所有序列值取值在(-10，10)之间，按照公式(5)进行数据变换，使得变换后的序列{Y`}的所有序列值取值在(0，360)之间。

y`＝(y+10)*18 (5)

2)对于8PSK调制方式，

此种调制方式的所有星座点都在一个圆周上，利用混沌序列进行扰乱时，可以将原星座点向星座点所在圆的圆内或是圆外移动。

按照公式(3)得到的变换后的序列{X`}，根据序列中每一个序列值的大小，判断星座点的移动方向。

当x’<0.5时，原星座点向圆内移动，扰乱后的星座点半径变小，即：

r_c＝r_min+(r_o-r_min)x” (6)

其中，x``＝2x`。

当x’>0.5时，原星座点向圆外移动，扰乱后的星座点半径变大，即：

r_c＝r_min-(r_o-r_min)x” (7)

其中，x”＝2(x’-0.5)。

扰乱后的星座点的相位，按照公式(4)、(5)进行扰乱。

S1211：对于各调制方式的星座图，根据重新确定的星座点的半径和相位，确定星座点的新位置，得到位置扰乱后的星座图，得到位置扰乱后的调制符号；

扰乱后的星座图的星座点的新位置根据公式(8)确定：

P_c＝r_ccos(θ_c)+jr_csin(θ_c) (8)

对于三种调制方式的星座图，扰乱后的星座图均与图3D所示类似，这样，即使非法窃听者获取到了扰乱后的星座图数据，也无法判断出是哪一种调制方式。需要说明的是，星座图的扰乱是利用混沌序列将原星座点从原位置变换到新位置，星座点的数量不变，图3D所示扰乱的星座图，是在发送大量物理层数据时，对所有物理层数据进行三种调制方式的调制处理，利用混沌序列{X}、{Y}，重新确定每种调制方式的星座图的星座点的位置，其中，对于大量的物理层数据，调制后生成若干星座点，对于每个星座点，分别从混沌序列{X}、{Y}中依序取出序列值按照上述方法进行计算，进而确定出每个星座点的新位置。

S1212：利用混沌序列{Z}，对位置扰乱后的调制符号进行幅度调制，生成调幅后的调制符号；

对于8PSK、16QAM、32QAM三种调制方式对应的位置扰乱后的调制符号，分为I路信号和Q路信号，以混沌序列{Z}作为调幅系数，对I路信号和 Q路信号进行幅度调制，生成调幅后的调制符号，调制方法是：

W(i)＝Re(S(i))*z`(2j-1)+Im(S(i))*z`(2j) (9)

其中，W(i)为调幅后的调制符号，S(i)是第i路子载波上的调制符号， Re(S(i))为位置扰乱后的调制符号S(i)的实部，即I路信号，Im(S(i))为位置扰乱后的调制符号S(i)的虚部，即Q路信号。对混沌序列{Z}进行数据变换后得到序列{Z`}，使得序列{Z`}的序列值取值均匀分布在[-1,1]范围之内，通过控制调幅系数{Z`}的大小，能够防止幅值变化引起高PARP(PARP为发送信号的峰值和平均值的比)，进而影响信号质量。其中，i、j为整数，i大于等于1，小于等于N，N为子载波的总数，j大于等于1，小于等于M，2M为序列{Z`}的序列值总数。

S1213：利用混沌序列{U}，对各种调制方式的调幅后的调制符号进行重新组合，生成加密后的调制符号。

根据子载波的数量，从混沌序列{U}中提取出相应数量的序列值u_k，k大于等于1，小于等于N，N为子载波的数量。将N个序列值u_k依次分配给N 个子载波，之后，对N个序列值u_k按照从大到小的顺序排序，排序之后，选取最大的序列值u_max和最小的序列值u_min，确定u_max对应的子载波的调制符号，确定该调制符号的I路信号，确定u_min对应的子载波的调制符号，确定该调制符号的Q路信号，将u_max对应的I路信号和u_min对应的Q路信号组合成新的调制符号，作为加密后的调制符号，即加密后的调制信号。同理，将次最大的序列值对应的I路信号和次最小的序列值对应的Q路信号组合成新的调制符号，依此类推，直至对所有的子载波对应的调制符合进行重新组合、生成新的调制符号为止，完成调制符号的加密处理。

需要说明的是，以上仅为一种调制符合的组合方式，于一些实施例中，可利用任意一种方式分别将不同子载波的I路信号和Q路信号组合在一起，生成加密后的调制符号。

S13：将加密后的调制信号分配到子载波上，传输加密后的调制信号。

得到加密后的调制信号后，按照划分的9个频段，在不同的频段，利用子载波传输对应的加密后的调制信号。

如图2所示，将各路调制信号进行快速傅里叶逆变换，然后将输出的并行信号转换为串行信号，之后添加循环前缀，发送到光信道。

图5为本发明实施例的应用于OFDM-PON下行通信的实施例示意图，如图所示，可将密钥(混沌加密算法的系数)在合法光网络单元之间共享，接收端合法光网络单元能够利用密钥生成混沌序列，确定调制方式，对接收数据进行解密，得到发送端发送的原始数据，而非法光网络单元无法获得原始数据，提高数据传输的保密性。

图6为本发明实施例的装置结构示意图。如图所示，本发明实施例提供的无源光网络物理层数据加密装置，包括：

串并处理模块，用于将物理层数据进行串并转换处理，得到并行物理层数据；

调制模块，用于利用三种调制方式对并行物理层数据进行调制处理，得到三种调制方式调制后的调制信号；

加密模块，用于基于混沌加密算法，对各调制方式对应的调制信号进行加密处理，得到加密后的调制信号；

传输模块，用于将加密后的调制信号分配到子载波上，传输加密后的调制信号。

其中，加密模块包括：

序列生成子模块，用于生成混沌序列{X}、{Y}、{Z}、{U}；

星座图扰乱模块，用于利用序列{X}、{Y}对各种调制方式对应的星座图的星座点进行扰乱，生成位置扰乱后的星座图，得到位置扰乱后的调制符号；

调幅子模块，用于利用混沌序列{Z}，对位置扰乱后的调制符号进行幅度调制，生成调幅后的调制符号；

重组后子模块，用于利用混沌序列{U}，对三种调制方式的调幅后的调制符号进行重新组合，生成加密后的调制符号。

其中，可利用上述公式(2)-(8)对星座点进行扰乱处理，生成位置扰乱后的星座图。可利用上述公式(9)对位置扰乱后的调制符号进行调幅处理。调制符号的重组后是将不同子载波的I路信号与Q信号重新组合，生成组合后的调制符号。

本发明实施例的无源光网络物理层数据加密方法及装置，利用三种调制方式对物理层数据进行调制处理，并利用四维混沌加密算法生成的混沌序列对原调制符号进行加密生成加密后的调制符号，根据三种调制方式划分成九个频段，确定每种调制方式在并行子载波中的占比量，按照占比量，将加密后的调制符号经相应的子载波传输。本发明通过物理层数据进行多种调制方式调制，对调制信号进行混沌加密处理，能够有效提高数据安全性，提高资源利用率。

上述实施例的装置用于实现前述实施例中相应的方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无源光网络物理层数据加密方法，其特征在于，包括：

将物理层数据进行串并转换处理，得到并行物理层数据；

利用三种调制方式对所述并行物理层数据进行调制处理，得到三种调制方式调制后对应的三种调制信号；所述三种调制方式为8PSK、16QAM、32QAM调制方式；

基于混沌加密算法，对所述三种调制信号进行加密处理，得到加密后的调制信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于混沌加密算法，对三种调制信号进行加密处理，得到加密后的调制信号，包括：

采用四维超数字混沌加密算法，生成混沌序列{X}、{Y}、{Z}、{U}；

利用所述混沌序列{X}、{Y}、{Z}、{U}对所述三种调制信号进行加密处理，得到加密后的调制信号。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对所述三种调制信号进行加密处理的方法是：

利用所述混沌序列{X}、{Y}，重新确定所述三种调制方式的星座图的星座点的半径和相位；

对于所述三种调制方式的星座图，根据重新确定的星座点的半径和相位，确定所述星座点的新位置，得到位置扰乱后的星座图，得到位置扰乱后的调制符号；

对于所述位置扰乱后的调制符号，利用所述混沌序列{Z}对所述调制符号进行幅度调制，生成调幅后的调制符号；

利用混沌序列{U}，对所述调幅后的调制符号进行重新组合，生成所述加密后的调制信号。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

对于16QAM、32QAM调制方式，对于任意一个星座点，扰乱后的星座点的半径为：

r_c＝(1-x′)[r_min+(r_max-r_min)x′]+r_o*x′ (2)

其中，r_o为原星座点的半径，r_min是星座点的最小半径，r_max是星座点的最大半径，x′为所述混沌序列{X}经过数据变换得到的序列{X`}中的序列值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

对于8PSK调制方式，利用所述混沌序列{X`}中的序列值大小，将原星座点向星座点所在圆的圆内或是圆外移动。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对于所述位置扰乱后的调制符号，利用所述混沌序列{Z}对所述调制符号进行幅度调制，生成调幅后的调制符号，调制方法是：

W(i)＝Re(S(i))*z`(2j-1)+Im(S(i))*z`(2j) (9)

其中，W(i)为所述调幅后的调制符号，Re(S(i))为位置扰乱后的调制符号S(i)的实部，即所述I路信号，Im(S(i))为位置扰乱后的调制符号S(i)的虚部，即所述Q路信号，对所述混沌序列{Z}进行数据变换得到序列{Z`}，z`(2j)、z`(2j-1)为所述序列{Z`}中的序列值，i、j大于等于1，j小于等于M，i小于等于N，N为子载波总数，2M为序列{Z`}的序列值总数。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

根据所述三种调制方式，将子载波频率划分成九个频段，确定每种调制方式在并行子载波中的占比量，利用子载波传输对应的加密后的调制信号。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

将所述加密后的调制信号进行快速傅里叶逆变换，然后将输出的并行信号转换为串行信号，之后添加循环前缀，发送到光信道。

9.一种无源光网络物理层数据加密装置，其特征在于，包括：

串并处理模块，用于将物理层数据进行串并转换处理，得到并行物理层数据；

调制模块，用于利用三种调制方式对并行物理层数据进行调制处理，得到三种调制方式调制后的调制信号；所述三种调制方式为8PSK、16QAM、32QAM调制方式；

加密模块，用于基于混沌加密算法，对各调制方式对应的调制信号进行加密处理，得到加密后的调制信号；

传输模块，用于将加密后的调制信号分配到子载波上，传输加密后的调制信号。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述加密装置包括：

序列生成子模块，用于生成混沌序列{X}、{Y}、{Z}、{U}；

星座图扰乱模块，用于利用所述混沌序列{X}、{Y}对所述三种调制方式对应的星座图的星座点进行扰乱，生成位置扰乱后的星座图，得到位置扰乱后的调制符号；

调幅子模块，用于利用所述混沌序列{Z}，对位置扰乱后的调制符号进行幅度调制，生成调幅后的调制符号；

重组后子模块，用于利用所述混沌序列{U}，对所述三种调制方式的调幅后的调制符号进行重新组合，生成加密后的调制符号。