CN111417038A - 一种基于两级球形星座掩蔽的安全光接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于两级球形星座掩蔽的安全光接入方法，包括：将Chua’s电路模型作为第一混沌模型，用于基于星座旋转的一级掩蔽因子的生成；将Logistic模型作为第二混沌模型，用于基于星座伸缩的二级掩蔽因子的生成；将两级掩蔽因子应用于三维CAP加密调制；三维CAP解密解调。本发明将两种混沌模型相联合，分别实现星座旋转与幅度变换上的多混沌联合加密，能够更加有效提升光接入系统安全性能。同时，本发明中星座掩蔽是在三维空间上进行三维星座加密，与二维星座相比，维度的提升使得加密变换更加灵活，对星座加密后的物理层安全性能提升更大，而且三维星座点间欧氏距离更大，系统误码率性能也更好。

Description

一种基于两级球形星座掩蔽的安全光接入方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于两级球形星座掩蔽的安全光接入方法。

背景技术

随着宽带服务需求的迅速增加，无源光网络(PON)由于其具有的更低能量损耗、更高数据传输速率、更广的覆盖等优势，被考虑为一种有效的、不会过时的未来网络架构，吸引了很多的关注。与此同时，无载波幅度相位调制(CAP)可以基于信号脉冲成型和匹配滤波实现正交复用，且不需要昂贵的射频源和混频器。将多维CAP应用在PON系统中，可以增强PON系统灵活度，支撑高速PON系统中更多潜在用户。这些实际的优势使得CAP技术在低成本高速PON系统中具有越来越大的吸引力。但是，由于PON系统的广播机制将下行信号传送到不同的光网络单元(ONU)，这使得下行信号很容易被非法用户窃听，CAP-PON系统的安全性是个特别需要注意的问题。

在上层和物理层均有许多安全通信的方法被提出，而由于物理层可以通过便捷的数字信号处理技术对高速传输数据进行电域上更底层的加密，能从根本上保护数据免受恶意攻击，因此在物理层对PON系统的安全加密是最有效的。其中，混沌加密具有遍历性、伪随机性、对初值和控制参数敏感性等特点，使其成为物理层加密的一个重要手段。目前已经有许多基于混沌对PON系统中的星座映射过程进行加密的研究，比如星座掩蔽、混沌星座变换、混沌主动星座拓展、类噪声星座映射等，他们通过对星座点的旋转、位置对换、或者随机移动等操作，进行星座加密，从而实现物理层加密的目的。但是，目前对星座映射过程进行加密的研究中，绝大多数都集中在二维星座上，安全性不高，系统误码率性能欠佳。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提出一种基于两级球形星座掩蔽的安全光接入方法，提升星座掩蔽的加密性能，同时改善通信传输系统的误码率性能。

本发明所采用的技术方案为：

一种基于两级球形星座掩蔽的安全光接入方法，包括如下步骤：

a、将Chua’s电路模型作为第一混沌模型，用于基于星座旋转的一级掩蔽因子的生成；

b、将Logistic模型作为第二混沌模型，用于基于星座伸缩的二级掩蔽因子的生成；

c、将两级掩蔽因子应用于三维CAP加密调制；

d、三维CAP解密解调。

进一步地，步骤a中，Chua’s电路模型的表达式为：

公式(1)中，参数o、p、q均为变量，取值范围o∈(-3,3)，p∈(-1,1)，q∈(-5,5)；t表示步长，取值为大于零的整数；a、b、c、d均为常数；

建立O-XYZ空间直角坐标系，用于表示星座点的位置；通过Chua’s电路模型生成O、P、Q三个混沌序列，利用三个混沌序列的小数部分产生一级掩蔽因子，将一级掩蔽因子作为星座点依次绕X轴逆时针旋转角度ρ_i1，绕Y轴逆时针旋转角度ρ_i2，绕Z轴逆时针旋转角度ρ_i3，得到范围在(0，360)内的三组旋转角度，具体的规则为：

公式(2)中，o、p、q为公式(1)中的变量，mod表示求余运算，floor表示对小数向下取整。

进一步地，常数a、b、c、d分别设定为10、14.87、-1.27、-0.65；变量o、p、q的初始值o_o,p_o,q_o设定为0.2,-0.1,0.2。

进一步地，步骤b中，Logistic模型的表达式为：

l_n+1＝μl_n(1-l_n),l∈(0,1) (3)

公式(3)中，μ为分岔参数，取值范围4≥μ＞3.569945672；初始值l₀的取值范围为(0，1)；l_n表示公式(3)迭代n次后得到的值；

利用l的小数部分进行基于星座伸缩的二级掩蔽因子的生成，并将二级掩蔽因子作为星座点伸缩比例因子ω_i，具体的规则为：

ω_i＝floor(mod(l·10⁷,100))/100×2+1 (4)。

进一步地，μ取值为3.95。

进一步地，步骤c包括：

c-1、串并变换，将原始的一路串行的‘0’‘1’比特序列转换成四路并行的‘0’‘1’比特序列，得到行数为4的比特数据矩阵；

c-2、星座映射，将比特数据矩阵每一列的4个比特作为1组，将‘0’‘1’比特数据按照设定规则映射为星座点的符号信息，每个符号携带三部分信息，分别为三维星座中星座点在三个维度上的坐标；映射后得到三维星座图；

c-3、将三维星座图中的星座点依次绕X轴逆时针旋转角度ρ_i1，绕Y轴逆时针旋转角度ρ_i2，绕Z轴逆时针旋转角度ρ_i3，通过三次逆时针旋转实现基于星座旋转的一级星座掩蔽；

假定三维星座图中的某星座点C_i＝(C_i1,C_i2,C_i3)^T，星座点C_i＝(C_i1,C_i2,C_i3)^T经过三次逆时针旋转后依次得到星座点坐标C′_i、C″_i和C″′_i；

c-4、根据伸缩因子ω_i进行星座伸缩，实现基于星座伸缩的二级星座掩蔽，星座点坐标C″′_i变为：

c-5、对经过两级球形星座掩蔽后的数据后面紧接着加入一串标准星座点符号作为训练序列，以便于在接收端基于训练序列对信道本身产生的星座旋转与伸缩影响进行消除；

c-6、对星座映射输出的符号信息进行M倍上采样，实现信号在频谱上的M倍周期延拓，得到上采样后的符号信息；

c-7、通过三个相互正交的FIR滤波器分别对上采样后的符号信息的三部分信息进行成型滤波；

c-8、三路并行信号相加和，完成整个基于两级球形星座掩蔽的加密调制，得到相应的调制信号。

进一步地，步骤d包括：接收到的调制信号依次经过匹配滤波、下采样、基于训练序列的星座纠正、基于星座伸缩的一级解掩蔽和基于星座旋转的二级解掩蔽，便得到解密后的星座图；

再经过星座解映射、并串变换后，恢复得到原始的一路串行‘0’‘1’比特序列。

本发明的有益效果在于：

本发明通过基于Chua’s电路模型生成一级掩蔽因子，实现星座的旋转加密，基于Logistic模型生成二级掩蔽因子，实现星座的伸缩加密。将两种混沌模型相联合，分别实现星座旋转与幅度变换上的多混沌联合加密，能够更加有效提升光接入系统安全性能。同时，本发明中星座掩蔽是在三维空间上进行三维星座加密，与二维星座相比，维度的提升使得加密变换更加灵活，对星座加密后的物理层安全性能提升更大，而且三维星座点间欧氏距离更大，系统误码率性能也更好。

附图说明

图1为本发明的基于两级球形星座掩蔽的安全光接入方法流程框图；

图2为Chua’s电路模型相位图；

图3为Logistic模型分岔图；

图4为16点三维星座图；

图5为经过基于星座旋转的一级掩蔽后的星座图；

图6为经过基于星座伸缩的二级掩蔽后的星座图；

图7为经过正确解密后的星座图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明的基于两级球形星座掩蔽的安全光接入方法作进一步地详细说明。

如图1所示，一种基于两级球形星座掩蔽的安全光接入方法，包括如下步骤：

a、将Chua’s电路模型作为第一混沌模型，用于基于星座旋转的一级掩蔽因子的生成；

具体地，步骤a中，Chua’s电路模型的表达式为：

公式(1)中，参数o、p、q均为变量，取值范围o∈(-3,3)，p∈(-1,1)，q∈(-5,5)；t表示步长，取值为大于零的整数；a、b、c、d均为常数。本实施例中，常数a、b、c、d分别设定为10、14.87、-1.27、-0.65；变量o、p、q的初始值o_o,p_o,q_o设定为0.2,-0.1,0.2。采用四阶龙格库塔方法求解公式(1)中的偏微分方程，所得到的模型相位图如图2所示，图2(a)表示o、p、q三维下模型点轨迹图，图2(b-d)分别表示不同二维下模型轨迹图。可以看出，Chua’s电路模型易于在实际应用中实现，并表现出了复杂的分岔和混沌动态特性，具备很高的安全性。

建立O-XYZ空间直角坐标系，用于表示星座点的位置。通过Chua’s电路模型可同时生成O、P、Q三个混沌序列(三个混沌序列长度相等，并分别由对应的变量o、p、q构成，变量o与对应的变量p和q通过公式(2)得到一级掩蔽因子，从而可形成一个一级掩蔽因子序列，该一级掩蔽因子序列与三个混沌序列等长)，但由于它们数值的范围不同，本实施例中，利用三个混沌序列的小数部分产生一级掩蔽因子，将一级掩蔽因子作为星座点依次绕X轴逆时针旋转角度ρ_i1，绕Y轴逆时针旋转角度ρ_i2，绕Z轴逆时针旋转角度ρ_i3，得到范围在(0，360)内的三组旋转角度，具体的规则为：

公式(2)中，o、p、q为公式(1)中的变量，mod表示求余运算，floor表示对小数向下取整。

b、将Logistic模型作为第二混沌模型，用于基于星座伸缩的二级掩蔽因子的生成；

具体地，步骤b中，Logistic模型的表达式为：

l_n+1＝μl_n(1-l_n),l∈(0,1) (3)

公式(3)中，μ为分岔参数，取值范围为[1，4]；参数l₀为第二混沌模型的初始值，取值范围为(0，1)；参数l_n表示根据公式(3)迭代n次后得到的值；

当分岔参数μ确定后，对于任何的初始值l₀，都将迭代出一串唯一的序列，而且l₀极其微小的变化，生成的序列将会有非常大的差异。图3(横轴为分岔参数μ，纵轴为l)给出了Logistic模型的分岔图，从图中可以看出，当μ＞3.569945672时，序列将会进入混沌状态，本实施例中，μ取值为3.95。

由于l是0和1之间的小数，本实施例中利用l的小数部分进行基于星座伸缩的二级掩蔽因子的生成，并将二级掩蔽因子作为星座点伸缩比例因子ω_i。同时，考虑到星座向内聚集缩小后将增大接收端星座点的判决难度，从而降低信号的传输性能，本实施例中只对星座进行1～3倍的随机放大处理，可以得到范围在[1,3]内的星座伸缩比例因子。具体的规则为：

ω_i＝floor(mod(l·10⁷,100))/100×2+1 (4)。

c、将两级掩蔽因子应用于三维CAP加密调制；

具体地，步骤c包括：

c-1、串并变换，将原始的一路串行的‘0’‘1’比特序列转换成四路并行的‘0’‘1’比特序列，得到行数为4的比特数据矩阵，用于后续的星座映射；

c-2、星座映射，将比特数据矩阵每一列的4个比特作为1组，将‘0’‘1’比特数据按照设定规则映射为星座点的符号信息，每个符号携带三部分信息，分别为三维星座中星座点在三个维度上的坐标；设定的映射规则如表1所示，映射后得到三维星座图如图4所示。

表1 16点三维星座映射规则

比特	星座点坐标	比特	星座点坐标
				1101	(0.7071,0.7071,0.7071)	1100	(0.7071,2.1213,2.1213)
1000	(2.1213,2.1213,0.7071)	1001	(2.1213,0.7071,2.1213)
				1111	(0.7071,-0.7071,-0.7071)	1110	(0.7071,-2.1213,-2.1213)
1010	(2.1213,-2.1213,-0.7071)	1011	(2.1213,-0.7071,-2.1213)
				0101	(-0.7071,0.7071,-0.7071)	0100	(-0.7071,2.1213,-2.1213)
0000	(-2.1213,2.1213,-0.7071)	0001	(-2.1213,0.7071,-2.1213)
				0111	(-0.7071,-0.7071,0.7071)	0110	(-0.7071,-2.1213,2.1213)
0010	(-2.1213,-2.1213,0.7071)	0011	(-2.1213,-0.7071,2.1213)

c-3、将三维星座图中的星座点依次绕X轴逆时针旋转角度ρ_i1，绕Y轴逆时针旋转角度ρ_i2，绕Z轴逆时针旋转角度ρ_i3，通过三次逆时针旋转实现基于星座旋转的一级星座掩蔽；

假定三维星座图中的某星座点C_i＝(C_i1,C_i2,C_i3)^T，星座点C_i＝(C_i1,C_i2,C_i3)^T经过三次逆时针旋转后依次得到星座点坐标C′_i、C″_i和C″′_i；

经过基于星座旋转的一级掩蔽后的星座图如图5所示，星座图呈现出两个半径不同的球层组合。

c-4、根据伸缩因子ω_i进行星座伸缩，实现基于星座伸缩的二级星座掩蔽，星座点坐标C″″_i变为：

经过基于星座伸缩的二级掩蔽加密后的星座图如图6所示，双层的球面变成了内含一个空心的圆球体。

c-5、对经过两级球形星座掩蔽后的数据后面紧接着加入一串标准星座点符号作为训练序列，以便于在接收端基于训练序列对信道本身产生的星座旋转与伸缩影响进行消除；

c-6、对星座映射输出的符号信息进行M倍上采样，实现信号在频谱上的M倍周期延拓，得到上采样后的符号信息；本实施例中，M取值为11。

c-7、通过三个相互正交的FIR滤波器分别对上采样后的符号信息的三部分信息进行成型滤波；滤波器的抽头数可以依据实际情况进行调整，本实施例中的滤波器抽头数选为11。

c-8、三路并行信号在一个加法器单元的作用下相加和，完成整个基于两级球形星座掩蔽的加密调制，得到相应的调制信号。

d、三维CAP解密解调。

具体地，基于两级球形星座掩蔽的解密解调过程与加密调制过程相反，接收到的信号首先经过抽头数选为11的三个匹配滤波器进行匹配滤波，然后经过下采样数为M＝11的下采样、基于发射端训练序列的星座纠正、基于星座伸缩的一级解掩蔽、基于星座旋转的二级解掩蔽，便得到解密后的星座图如图7所示。再经过星座解映射、并串变换后，恢复得到原始的1路串行‘0’‘1’比特序列，完成基于两级球形星座掩蔽的安全光接入。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术方法范围内，可轻易想到的替换或变换方法，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于两级球形星座掩蔽的安全光接入方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、将Chua’s电路模型作为第一混沌模型，用于基于星座旋转的一级掩蔽因子的生成；

b、将Logistic模型作为第二混沌模型，用于基于星座伸缩的二级掩蔽因子的生成；

c、将两级掩蔽因子应用于三维CAP加密调制；

d、三维CAP解密解调。

2.根据权利要求1所述的基于两级球形星座掩蔽的安全光接入方法，其特征在于，步骤a中，Chua’s电路模型的表达式为：

公式(1)中，参数o、p、q均为变量，取值范围o∈(-3,3)，p∈(-1,1)，q∈(-5,5)；t表示步长，取值为大于零的整数；a、b、c、d均为常数；

建立O-XYZ空间直角坐标系，用于表示星座点的位置；通过Chua’s电路模型生成O、P、Q三个混沌序列，利用三个混沌序列的小数部分产生一级掩蔽因子，将一级掩蔽因子作为星座点依次绕X轴逆时针旋转角度ρ_i1，绕Y轴逆时针旋转角度ρ_i2，绕Z轴逆时针旋转角度ρ_i3，得到范围在(0，360)内的三组旋转角度，具体的规则为：

公式(2)中，o、p、q为公式(1)中的变量，mod表示求余运算，floor表示对小数向下取整。

3.根据权利要求2所述的基于两级球形星座掩蔽的安全光接入方法，其特征在于，常数a、b、c、d分别设定为10、14.87、-1.27、-0.65；变量o、p、q的初始值o_o,p_o,q_o设定为0.2,-0.1,0.2。

4.根据权利要求2或3所述的基于两级球形星座掩蔽的安全光接入方法，其特征在于，步骤b中，Logistic模型的表达式为：

l_n+1＝μl_n(1-l_n),l∈(0,1) (3)

公式(3)中，μ为分岔参数，取值范围4≥μ＞3.569945672；初始值l₀的取值范围为(0，1)；l_n表示公式(3)迭代n次后得到的值；

利用l的小数部分进行基于星座伸缩的二级掩蔽因子的生成，并将二级掩蔽因子作为星座点伸缩比例因子ω_i，具体的规则为：

ω_i＝floor(mod(l·10⁷,100))/100×2+1 (4)。

5.根据权利要求4所述的基于两级球形星座掩蔽的安全光接入方法，其特征在于，μ取值为3.95。

6.根据权利要求4所述的基于两级球形星座掩蔽的安全光接入方法，其特征在于，步骤c包括：

c-1、串并变换，将原始的一路串行的‘0’‘1’比特序列转换成四路并行的‘0’‘1’比特序列，得到行数为4的比特数据矩阵；

c-2、星座映射，将比特数据矩阵每一列的4个比特作为1组，将‘0’‘1’比特数据按照设定规则映射为星座点的符号信息，每个符号携带三部分信息，分别为三维星座中星座点在三个维度上的坐标；映射后得到三维星座图；

c-3、将三维星座图中的星座点依次绕X轴逆时针旋转角度ρ_i1，绕Y轴逆时针旋转角度ρ_i2，绕Z轴逆时针旋转角度ρ_i3，通过三次逆时针旋转实现基于星座旋转的一级星座掩蔽；

假定三维星座图中的某星座点C_i＝(C_i1,C_i2,C_i3)^T，星座点C_i＝(C_i1,C_i2,C_i3)^T经过三次逆时针旋转后依次得到星座点坐标C'_i、C”_i和C”'_i；

c-4、根据伸缩因子ω_i进行星座伸缩，实现基于星座伸缩的二级星座掩蔽，星座点坐标C””_i变为：

c-5、对经过两级球形星座掩蔽后的数据后面紧接着加入一串标准星座点符号作为训练序列，以便于在接收端基于训练序列对信道本身产生的星座旋转与伸缩影响进行消除；

c-6、对星座映射输出的符号信息进行M倍上采样，实现信号在频谱上的M倍周期延拓，得到上采样后的符号信息；

c-7、通过三个相互正交的FIR滤波器分别对上采样后的符号信息的三部分信息进行成型滤波；

c-8、三路并行信号相加和，完成整个基于两级球形星座掩蔽的加密调制，得到相应的调制信号。

7.根据权利要求6所述的基于两级球形星座掩蔽的安全光接入方法，其特征在于，步骤d包括：接收到的调制信号依次经过匹配滤波、下采样、基于训练序列的星座纠正、基于星座伸缩的一级解掩蔽和基于星座旋转的二级解掩蔽，便得到解密后的星座图；

再经过星座解映射、并串变换后，恢复得到原始的一路串行‘0’‘1’比特序列。

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