CN111245596A - 一种基于三维概率成型的混沌加密方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维概率成型的混沌加密方法，包括以下步骤：对待加密的数据进行串并变化后，将数据映射到三维概率成型的各个星座点上；利用蔡氏电路的混沌模型和洛伦兹混沌模型对三维概率成型的星座图进行掩蔽；其中，根据各个星座点到原点的不同距离，分别采用蔡氏混沌模型和洛伦兹模型进行掩蔽，使三维概率成型的星座图变成两个球壳状。本发明能够通过球状三维概率成型后，可以使得整个系统的发射功率大大降低，概率成型后的新的载波将会具有高斯型能量分布，更加适合光信号在光纤信道的传输；利用蔡氏电路模型和洛伦兹模型进行混沌映射，相比传统的掩蔽方式，具有良好的加密效果，并且提供了更大的密钥空间和更大的灵活性。

Description

一种基于三维概率成型的混沌加密方法和系统

技术领域

本发明涉及光通信传输技术领域，具体而言涉及一种基于三维概率成型的混沌加密方法和系统。

背景技术

光通信技术以其传输容量大、传输速度快、可实现长距离传输等特点，在我们的信息化产业中发挥着重要作用。随着5G、4K视频、云计算等业务的不断发展，未来网络流量将保持超过25％的速度增长，巨大的信息容量需求不断催动长距离骨干网络和短距离光传输系统的发展，光通信系统扩容是一个永恒的话题。

概率成形技术是一种新型的编码调制格式，可在系统架构的基础上扩大光通信系统的传输容量。概率成形技术的基本原理是在维持星座图中星座点几何位置不变的情况下，通过增加星座图中内圈能量较低的星座点的发射概率，降低外圈能量较高的星座点的发射概率，从而可在星座图中最小欧式距离不变的情况下有效的降低整个星座图的平均能量。在信噪比不变的情况下，信号发射功率越小，整个系统的抗噪声能力越强，因此概率成形可实现信噪比功率的有效提升，使系统容量更接近信道的香农极限。概率成形还可以实现系统的灵活速率变化。概率成形可以通过调节概率分布使信号具有不同的信息熵，从而在同一个系统实现灵活速率的变化，可应用于宽带光接入技术以应对不同用户的灵活速率接入与动态资源分配。因此，探索基于概率成形的宽带光接入关键技术受到国内外的广泛关注，已经成为光通信技术领域中的一个重要课题。该课题的研究对未来高速率长距离大容量光网络以及短距离的光传输系统的发展具有长远而重大的意义。

同时，在光纤通信传输容量不断提升的前提下，光纤通信的安全问题愈发引起人们的关注。目前主要的加密有激光混沌加密技术和数字混沌方式来提高系统的安全性，但是利用激光混沌的加密方法，要求接收端和发射端的激光器可以快速同步并且需要较大的可用带宽，目前激光器的同步性能和带宽并不能满足需求。而数字混沌利用数字混沌的方式产生密钥对数据进行加密，由于数字信号处理具有较高的灵活性，在信号处理的过程中也相对比较简单而得到了广泛的使用。

在光纤通信传输容量不断提升的前提下，光纤通信的安全问题愈发引起人们的关注。同时，传统的二维概率成型技术已经接近最优解，物理层的加密已经引起了广泛的研究。因此，亟需在三维概率成型的基础上，对物理层进行加密，以有效提升系统的误码率。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于三维概率成型的混沌加密方法和系统，将原始二进制数据进行串并变化和星座映射后，进行星座掩蔽，利用三维概率成型对子星座图进行非均匀调制。通过球状三维概率成型后，可以使得整个系统的发射功率大大降低，而且概率成型后的新的载波将会具有高斯型能量分布，更加适合光信号在光纤信道的传输。同时，利用蔡氏电路模型和洛伦兹模型进行混沌映射，相比传统的掩蔽方式，具有良好的加密效果，并且提供了更大的密钥空间和更大的灵活性。

为达成上述目的，结合图1，本发明提出一种基于三维概率成型的混沌加密方法，所述混沌加密方法包括以下步骤：

S1，对待加密的数据进行串并变化后，将数据映射到三维概率成型的各个星座点上；

S2，利用蔡氏电路的混沌模型和洛伦兹混沌模型对三维概率成型的星座图进行掩蔽；

其中，根据各个星座点到原点的不同距离，分别采用蔡氏混沌模型和洛伦兹模型进行掩蔽，使三维概率成型的星座图变成两个球壳状。

作为其中的一种优选例，步骤S2中，所述根据各个星座点到原点的不同距离，分别采用蔡氏混沌模型和洛伦兹模型进行掩蔽是指：

采用洛伦兹变换所产生的掩蔽向量对处于外部的星座点进行掩蔽，采用蔡氏电路模型所产生的掩蔽向量对处于内部的星座点进行掩蔽，并且不同的星座点被分配有不同的初始值所产生不同掩蔽向量进行掩蔽；

其中，当星座点到原点的距离大于设定距离阈值时，将其定义成处于外部，否则，将其定义成处于内部。

作为其中的一种优选例，步骤S2中，采用蔡氏混沌模型进行掩蔽的过程包括：

S201，设定蔡氏电路模型为：

f(x)＝bx+0.5(a-b)(|x+1|-|x-1|)

式中，α、β、a、b是常量，x、y、z、t为变量；

S202，计算得到三个混沌序列(x,y,z)；

S203，结合得到的三个混沌序列(x,y,z)，采用下述公式生成对应的掩蔽向量：

式中，α^*、β^*、γ^*分别代表所产生的蔡氏混沌序列与x,y,z轴的夹角。

作为其中的一种优选例，步骤S2中，采用洛伦兹模型进行掩蔽的过程包括：

S211，设定洛伦兹模型为：

式中，A、B、C是常量，x、y、z、t为变量；

S212，计算得到三个混沌序列(x₁,y₁,z₁)；

S213，结合得到的三个混沌序列，采用下述公式生成对应的掩蔽向量：

式中，

分别代表所产生的洛伦兹混沌序列与x,y,z轴的夹角。

作为其中的一种优选例，所述混沌加密方法还包括以下步骤：

S3，利用CAP调制的滤波器组对加密后的信号进行整形后发送至光纤进行传输。

作为其中的一种优选例，所述混沌加密方法还包括以下步骤：

S4，接收经光纤传输过来的信号光，对其进行包括色散补偿和采样在内的数字信号处理，采用匹配滤波器对采样得到的信号光进行滤波处理；

S5，对数据对应的立方星座掩蔽进行解匹配，对解匹配结果依次执行并串变化和时隙解映射处理，得到原始二进制数据。

作为其中的一种优选例，所述混沌加密方法还包括以下步骤：

S6，计算接收到的数据的误码率，分析整个系统的性能。

本发明所提及的基于三维概率成型的混沌加密方法的整体流程如下：

在发射端，首先对数据进行串并变化，然后将数据映射到各个星座点上。利用蔡氏电路的混沌模型和洛伦兹混沌模型来对三维概率成型的星座图进行掩蔽。根据各个星座点到原点的不同距离，分别使用蔡氏混沌模型和洛伦兹模型进行掩蔽，这样，三维概率成型的星座图将会变成两个球壳。然后，利用CAP调制的滤波器组对掩蔽的符号进行整形后进入25km光纤进行传输。

在接收端，利用CAP匹配滤波器组来对信号进行处理，同时利用原始的蔡氏电路和洛伦兹模型的密钥来对混沌星座图进行解密。将接收端解密后的信号与发射端进行比对从而计算系统误码率，从而判断系统性能。

本发明还提及一种基于三维概率成型的混沌加密系统，所述混沌加密系统包括时隙映射单元、串并变化单元、立方星座掩蔽单元、三维概率成型单元，以及掩蔽向量生成模块；

所述时隙映射单元、串并变换单元、立方星座掩蔽单元、三维概率成型单元依次连接，所述掩蔽向量生成模块的输出端与立方星座掩蔽单元的其中一个输入端连接，时隙映射单元的输入端与信号发送端连接；

所述时隙映射单元和串并变换单元用于对待加密的数据进行串并变化后，将数据映射到三维概率成型的各个星座点上；所述掩蔽向量生成模块用于利用蔡氏电路的混沌模型和洛伦兹混沌模型生成对应的掩蔽向量；所述立方星座掩蔽单元结合掩蔽向量生成模块发送的掩蔽向量，对三维概率成型的星座图进行掩蔽，并且不同的星座点被分配有不同的初始值所产生不同掩蔽向量进行掩蔽；

其中，根据各个星座点到原点的不同距离，分别采用蔡氏混沌模型和洛伦兹模型进行掩蔽，使三维概率成型的星座图变成两个球壳状。

作为其中的一种优选例，所述混沌加密系统还包括CAP滤波器；

所述CAP滤波器用于对加密后的信号进行整形后发送至光纤进行传输。

作为其中的一种优选例，所述混沌加密系统还包括匹配滤波器、星座掩蔽解匹配器、并串变换单元、时隙解映射单元；

所述匹配滤波器、星座掩蔽解匹配器、并串变换单元、时隙解映射单元依次连接，匹配滤波器的输入端与光纤的输出端连接，时隙解映射单元与信号接收端连接；

所述匹配滤波器用于接收经光纤传输过来的信号光，对其进行包括色散补偿和采样在内的数字信号处理，采用匹配滤波器对采样得到的信号光进行滤波处理；

所述星座掩蔽解匹配器、并串变换单元和时隙解映射单元用于对数据对应的立方星座掩蔽进行解匹配，对解匹配结果依次执行并串变化和时隙解映射处理，得到原始二进制数据。

以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：

通过球状三维概率成型后，可以使得整个系统的发射功率大大降低，而且概率成型后的新的载波将会具有高斯型能量分布，更加适合光信号在光纤信道的传输。

利用蔡氏电路模型和洛伦兹模型进行混沌映射，相比传统的掩蔽方式，具有良好的加密效果，并且提供了更大的密钥空间和更大的灵活性。

本专利提出的这种方法是在数字信号处理(DSP)领域实现的，可以很容易的结合到信号的生成中

将三维概率成型的星座图混沌成两个球壳这种传输方法有着良好的抗噪性能，对于传输的信息的保护性很高，具有极高的可靠性。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明的基于三维概率成型的混沌加密方法的流程图。

图2是本发明的基于三维概率成型的混沌加密方法框图。

图3是本发明的三维概率成型星座点分布示意图。

图4是本发明的蔡氏电路模型的分岔图和相图示意图。

图5是本发明的洛伦兹模型的相图示意图。

图6是本发明的加密后的星座图示意图。

图7是本发明的接收端解密后的星座图示意图。

图8是本发明的基于三维概率成型的混沌加密系统的结构图示意图。

图9是本发明的不同信噪比下的误码率曲线示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

具体实施例一

结合图1，本发明提出一种基于三维概率成型的混沌加密方法，所述混沌加密方法包括以下步骤：

S1，对待加密的数据进行串并变化后，将数据映射到三维概率成型的各个星座点上。

S2，利用蔡氏电路的混沌模型和洛伦兹混沌模型对三维概率成型的星座图进行掩蔽。

其中，根据各个星座点到原点的不同距离，分别采用蔡氏混沌模型和洛伦兹模型进行掩蔽，使三维概率成型的星座图变成两个球壳状。

本发明将原始二进制数据进行串并变化和星座映射后，进行星座掩蔽，利用三维概率成型对子星座图进行非均匀调制。通过球状三维概率成型后，可以使得整个系统的发射功率大大降低，而且概率成型后的新的载波将会具有高斯型能量分布，更加适合光信号在光纤信道的传输。同时，利用蔡氏电路模型和洛伦兹模型进行混沌映射，相比传统的掩蔽方式，具有良好的加密效果，并且提供了更大的密钥空间和更大的灵活性。

图2是本发明的基于三维概率成型的混沌加密方法框图。

基于三维概率成型的混沌加密方法系统流程框图说明如下：在发射端，首先根据概率成型所设置的概率分布产生数据。然后将产生的数据变化成二进制数，经过串并变化后，将这一系列的二进制数据映射到三维概率成型的各个星座点上。在完成星座映射后，对各个星座点进行掩蔽。掩蔽向量将由基于蔡氏电路模型的混沌映射以及洛伦兹模型的映射所产生。不同的星座点被分配有不同的初始值所产生不同掩蔽向量进行掩蔽。经过星座掩蔽后的星座图将变成两个同心的球壳，然后通过CAP调制的滤波器对信号进行整形然后进入25公里光纤进行传输。在接收端，通过光电探测器接收信号光，对接收到的信号光进行色散补偿等数字信号处理，并且利用匹配滤波器对信号光进行处理，对立方星座掩蔽进行解匹配。最后进行并串变化和时隙解映射，得到接收到的二进制数据，计算接收到的数据的误码率，来分析整个系统的性能。

结合图8，本发明还提及一种基于三维概率成型的混沌加密系统，所述混沌加密系统包括时隙映射单元、串并变化单元、立方星座掩蔽单元、三维概率成型单元，以及掩蔽向量生成模块；

所述时隙映射单元、串并变换单元、立方星座掩蔽单元、三维概率成型单元依次连接，所述掩蔽向量生成模块的输出端与立方星座掩蔽单元的其中一个输入端连接，时隙映射单元的输入端与信号发送端连接；

所述时隙映射单元和串并变换单元用于对待加密的数据进行串并变化后，将数据映射到三维概率成型的各个星座点上；所述掩蔽向量生成模块用于利用蔡氏电路的混沌模型和洛伦兹混沌模型生成对应的掩蔽向量；所述立方星座掩蔽单元结合掩蔽向量生成模块发送的掩蔽向量，对三维概率成型的星座图进行掩蔽，并且不同的星座点被分配有不同的初始值所产生不同掩蔽向量进行掩蔽；

其中，根据各个星座点到原点的不同距离，分别采用蔡氏混沌模型和洛伦兹模型进行掩蔽，使三维概率成型的星座图变成两个球壳状。

(1)时隙映射单元

该模块的主要作用是将输入的原始二进制符号进行时隙三维映射，从而将一维的数据流变为三维数据。

(2)串并变化单元

该模块的主要作用在于将一个连续信号元序列表示为能够表示相同信息的一组并行信号元的过程，提高传输速率，节约了传输的时间。

(3)立方星座掩蔽单元

该模块的主要作用是对信号光进行加密处理。我们采用蔡氏电路模型和洛伦兹模型作为混沌映射，生成立方星座掩蔽向量。首先三维概率成型的模型如图4所示。

(3.1)采用蔡氏混沌模型进行掩蔽

蔡氏电路模型为：

f(x)＝bx+0.5(a-b)(|x+1|-|x-1|)

式中，α、β、a、b是常量，x、y、z、t为变量。

由这个模型，我们可以得到三个混沌序列(x,y,z)，由此产生掩蔽向量。其分岔图和相图如图4所示，是一个双螺旋图形。对于蔡氏电路模型，产生掩蔽向量的方法为：

式中，α^*、β^*、γ^*分别代表所产生的蔡氏混沌序列与x,y,z轴的夹角。

(3.2)采用洛伦兹模型进行掩蔽

洛伦兹模型为：

式中，A、B、C是常量，x、y、z、t为变量。

其相图如图5所示。由这个模型，我们可以得到三个混沌序列(x₁,y₁,z₁),由此产生掩蔽向量。同蔡氏电路模型产生掩蔽向量的方法一样，可以表示为：

式中，

分别代表所产生的洛伦兹混沌序列与x,y,z轴的夹角。

假设d_k1,d_k2,d_k3,表示输入的三维符号。那么进行星座掩蔽后的星座点可以表示为S_k：

根据星座点距离原点的不同距离来使用不同的星座掩蔽。对于外部的八个点使用洛伦兹变换所产生的掩蔽向量，对于内部的八个点使用蔡氏电路模型所产生的掩蔽向量。这样我们就完成了对于星座图的加密。

加密后的星座图如图6所示，在加密过后，我们的星座点已经完全被打乱，总体上混沌呈两个球壳，具有很高的安全性。

接收端解密后的星座图如图7所示，可以看到各个星座点的分布和图5中的模型一致。而且，内部的八个点所解出的点要比外部的点要多，这是因为概率成型技术将外部星座点压缩至内部，导致内部的星座点要多余外部，降低系统的发射功率，提升系统性能。

具体实施例二

其中一种基于三维概率成型的混沌加密方法系统结构图如图8所示：波长为1551.72nm的连续激光作为光源，我们将长度为8192的原始比特流被用于进一步的映射、掩蔽和滤波。整个算法部分均在MATLAB中通过数字信号处理实现，采用50Gs/s的数模转换器(DAC)来产生电信号。所产生的加密信号与光源在调制器中进行电光调制，从而产生光信号。光学滤波器(OF)用于切片，产生光学单边带调制。然后，光信号经过掺铒光纤放大器后进入25km的单模光纤中进行传输。在接收端，在光纤后放置可变光衰减器(VOA)进行误码率(BER)测量。光信号由光电二极管(PD)直接检测，并由具有100Gs/s的模拟数字转换器(ADC)进行采样。以便进一步对数据进行星座掩蔽和时隙映射解调处理。

利用MATLAB软件进行仿真，得到了如图9所示的误码率曲线。从图中可以观察到本专利所提出的这种混沌模型具有良好的性能。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种基于三维概率成型的混沌加密方法，其特征在于，所述混沌加密方法包括以下步骤：

S1，对待加密的数据进行串并变化后，将数据映射到三维概率成型的各个星座点上；

S2，利用蔡氏电路的混沌模型和洛伦兹混沌模型对三维概率成型的星座图进行掩蔽；

其中，根据各个星座点到原点的不同距离，分别采用蔡氏混沌模型和洛伦兹模型进行掩蔽，使三维概率成型的星座图变成两个球壳状。

2.根据权利要求1所述的基于三维概率成型的混沌加密方法，其特征在于，步骤S2中，所述根据各个星座点到原点的不同距离，分别采用蔡氏混沌模型和洛伦兹模型进行掩蔽是指：

采用洛伦兹变换所产生的掩蔽向量对处于外部的星座点进行掩蔽，采用蔡氏电路模型所产生的掩蔽向量对处于内部的星座点进行掩蔽，并且不同的星座点被分配有不同的初始值所产生不同掩蔽向量进行掩蔽；

其中，当星座点到原点的距离大于设定距离阈值时，将其定义成处于外部，否则，将其定义成处于内部。

3.根据权利要求2所述的基于三维概率成型的混沌加密方法，其特征在于，步骤S2中，采用蔡氏混沌模型进行掩蔽的过程包括：

S201，设定蔡氏电路模型为：

f(x)＝bx+0.5(a-b)(|x+1|-|x-1|)

式中，α、β、a、b是常量，x、y、z、t为变量；

S202，计算得到三个混沌序列(x,y,z)；

S203，结合得到的三个混沌序列(x,y,z)，采用下述公式生成对应的掩蔽向量：

式中，α^*、β^*、γ^*分别代表所产生的蔡氏混沌序列与x,y,z轴的夹角。

4.根据权利要求2所述的基于三维概率成型的混沌加密方法，其特征在于，步骤S2中，采用洛伦兹模型进行掩蔽的过程包括：

S211，设定洛伦兹模型为：

式中，A、B、C是常量，x、y、z、t为变量；

S212，计算得到三个混沌序列(x₁,y₁,z₁)；

S213，结合得到的三个混沌序列，采用下述公式生成对应的掩蔽向量：

式中，

分别代表所产生的洛伦兹混沌序列与x,y,z轴的夹角。

5.根据权利要求1-4任意一项中所述的基于三维概率成型的混沌加密方法，其特征在于，所述混沌加密方法还包括以下步骤：

S3，利用CAP调制的滤波器组对加密后的信号进行整形后发送至光纤进行传输。

6.根据权利要求1-4任意一项中所述的基于三维概率成型的混沌加密方法，其特征在于，所述混沌加密方法还包括以下步骤：

S4，接收经光纤传输过来的信号光，对其进行包括色散补偿和采样在内的数字信号处理，采用匹配滤波器对采样得到的信号光进行滤波处理；

S5，对数据对应的立方星座掩蔽进行解匹配，对解匹配结果依次执行并串变化和时隙解映射处理，得到原始二进制数据。

7.根据权利要求1-4任意一项中所述的基于三维概率成型的混沌加密方法，其特征在于，所述混沌加密方法还包括以下步骤：

S6，计算接收到的数据的误码率，分析整个系统的性能。

8.一种基于三维概率成型的混沌加密系统，其特征在于，所述混沌加密系统包括时隙映射单元、串并变化单元、立方星座掩蔽单元、三维概率成型单元，以及掩蔽向量生成模块；

所述时隙映射单元、串并变换单元、立方星座掩蔽单元、三维概率成型单元依次连接，所述掩蔽向量生成模块的输出端与立方星座掩蔽单元的其中一个输入端连接，时隙映射单元的输入端与信号发送端连接；

所述时隙映射单元和串并变换单元用于对待加密的数据进行串并变化后，将数据映射到三维概率成型的各个星座点上；所述掩蔽向量生成模块用于利用蔡氏电路的混沌模型和洛伦兹混沌模型生成对应的掩蔽向量；所述立方星座掩蔽单元结合掩蔽向量生成模块发送的掩蔽向量，对三维概率成型的星座图进行掩蔽，并且不同的星座点被分配有不同的初始值所产生不同掩蔽向量进行掩蔽；

其中，根据各个星座点到原点的不同距离，分别采用蔡氏混沌模型和洛伦兹模型进行掩蔽，使三维概率成型的星座图变成两个球壳状。

9.根据权利要求8所述的基于三维概率成型的混沌加密系统，其特征在于，所述混沌加密系统还包括CAP滤波器；

所述CAP滤波器用于对加密后的信号进行整形后发送至光纤进行传输。

10.根据权利要求8所述的基于三维概率成型的混沌加密系统，其特征在于，所述混沌加密系统还包括匹配滤波器、星座掩蔽解匹配器、并串变换单元、时隙解映射单元；

所述匹配滤波器、星座掩蔽解匹配器、并串变换单元、时隙解映射单元依次连接，匹配滤波器的输入端与光纤的输出端连接，时隙解映射单元与信号接收端连接；

所述匹配滤波器用于接收经光纤传输过来的信号光，对其进行包括色散补偿和采样在内的数字信号处理，采用匹配滤波器对采样得到的信号光进行滤波处理；

所述星座掩蔽解匹配器、并串变换单元和时隙解映射单元用于对数据对应的立方星座掩蔽进行解匹配，对解匹配结果依次执行并串变化和时隙解映射处理，得到原始二进制数据。

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