CN111447054A - 基于五维超混沌的fbmc无源光网络物理层加密方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种基于五维超混沌的FBMC无源光网络物理层加密方法及装置，获取待加密的第一数字信号；求解五维超混沌微分方程组，得到五维混沌参数解集；根据第一混沌参数集，对第一数字信号的同相分量进行混沌加密，并根据第二混沌参数集，对第一数字信号的正交分量进行混沌加密，得到第二数字信号；根据第三混沌参数集对第二数字信号进行频域的采样点置换加密，得到第三数字信号；对第三数字信号进行反傅里叶变换，得到第四数字信号；根据第四混沌参数集对第四数字信号进行滤波器组置换加密，得到第五数字信号；根据第五混沌参数集对第五数字信号进行时域的采样点置换加密，得到加密数字信号。提高了FBMC无源光网络系统信号传输的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，特别是涉及一种基于五维超混沌的FBMC无源光网络物理层加密方法及装置。
背景技术
无源光网络(Passive Optical Network,PON)技术是宽带接入的较佳解决方案，在当前的接入网中得到了广泛的应用。
滤波器组多载波(Filter Bank Multi-Carrier，FBMC)因其频谱效率高、抗光纤链路损伤的鲁棒性强、时频分配的灵活性被广泛研究，并被认为是下一代光接入网的一个有前途的候选方案。在FBMC-PON的下行方向，光线路终端发送的信号被广播到所有光网络单元。由于FBMC-PON的广播特性，下行信号容易被窃听。非法光网络单元可能通过暴力攻击同一下行线路中的其他光网络单元而窃听信号。
可见，在FBMC-PON系统，信号传输安全性不高。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种基于五维超混沌的FBMC无源光网络物理层加密方法及装置，以实现提高信号传输安全性。
具体技术方案如下：
为实现上述目的，本发明实施例提供了一种基于五维超混沌的FBMC无源光网络物理层加密方法，所述方法包括：
获取FBMC滤波器组多载波无源光网络系统中经过符号映射的待加密的第一数字信号；
确定初始的五维混沌参数值和五维超混沌微分方程组，并根据所述初始的五维混沌参数值，求解所述五维超混沌微分方程组，得到五维混沌参数解集，所述五维混沌参数解集包括第一混沌参数集、第二混沌参数集、第三混沌参数集、第四混沌参数集和第五混沌参数集，其中，每个混沌参数集中都包含多个混沌参数值；
根据所述第一混沌参数集，对所述第一数字信号的同相分量进行混沌加密，并根据所述第二混沌参数集，对所述第一数字信号的正交分量进行混沌加密，得到第二数字信号；
根据所述第三混沌参数集对所述第二数字信号进行频域的采样点置换加密，得到第三数字信号；
对所述第三数字信号进行反傅里叶变换，得到第四数字信号；
根据所述第四混沌参数集对所述第四数字信号进行滤波器组置换加密，得到第五数字信号；
根据所述第五混沌参数集对所述第五数字信号进行时域的采样点置换加密，得到加密数字信号。
可选的，所述五维超混沌微分方程组为：
其中，x表示第一混沌参数，y表示第二混沌参数，z表示第三混沌参数，u表示第四混沌参数，w表示第五混沌参数，t表示时间，
表示对时间求微分，a、b、c、h、k1和k2均表示预设系数。
可选的，所述根据所述第一混沌参数集，对所述第一数字信号的同相分量进行混沌加密，并根据所述第二混沌参数集，对所述第一数字信号的正交分量进行混沌加密，得到第二数字信号的步骤，包括：
采用如下公式计算所述第二数字信号中各个采样点的信号值：
Ck＝(Re[Pk]±Ik)+j(Im[Pk]±Qk)
其中，Pk表示所述第一数字信号中的第k个采样点的信号值，Re[·]表示信号的同相分量，Im[·]表示信号的正交分量，Ik表示基于所述第一混沌参数集中的第k个混沌参数值生成的第k个同相分量加密值，Qk表示基于所述第二混沌参数集中的第k个混沌参数值生成的第k个正交分量加密值，j表示虚部符号，Ck表示所述第二数字信号中第k个采样点的信号值。
可选的，所述根据所述第三混沌参数集对所述第二数字信号进行频域的采样点置换加密，得到第三数字信号的步骤，包括：
根据所述第三混沌参数集生成第一序列，所述第一序列中的元素数目与所述第二数字信号在频域内的采样点数目相同；
以元素值升序的方式重新排列所述第一序列中的元素，得到第二序列；
根据同一元素在所述第一序列和所述第二序列中所处位置的对应关系，确定频域采样点置换索引；
根据所述频域采样点置换索引，对所述第二数字信号在频域内的采样点进行位置置换，得到第三数字信号。
可选的，所述根据所述第四混沌参数集对所述第四数字信号进行滤波器组置换加密，得到第五数字信号的步骤，包括：
根据所述第四混沌参数集生成第三序列，所述第三序列中的元素数目与滤波器组的数目相同；
以元素值升序的方式重新排列所述第三序列中的元素，得到第四序列；
根据同一元素在所述第三序列和所述第四序列中所处位置的对应关系，确定滤波器组置换索引；
根据所述滤波器组置换索引，对所述滤波器组进行位置置换，并确定第五数字信号，所述第五数字信号是所述第四数字信号经过位置置换后的滤波器组处理后的信号。
可选的，所述根据所述第五混沌参数集对所述第五数字信号进行时域的采样点置换加密，得到加密数字信号的步骤，包括：
根据所述第五混沌参数集生成第五序列，所述第五序列中的元素数目与所述第五数字信号在时域内的采样点数目相同；
以元素值升序的方式重新排列所述第五序列中的元素，得到第六序列；
根据同一元素在所述第五序列和所述第六序列中所处位置的对应关系，确定时域采样点置换索引；
根据所述时域采样点置换索引，对所述第五数字信号在时域内的采样点进行位置置换，得到加密数字信号。
为实现上述目的，本发明实施例还提供了一种基于五维超混沌的FBMC无源光网络物理层加密装置，所述装置包括：
获取模块，用于获取FBMC滤波器组多载波无源光网络系统中经过符号映射的待加密的第一数字信号；
确定模块，用于确定初始的五维混沌参数值和五维超混沌微分方程组，并根据所述初始的五维混沌参数值，求解所述五维超混沌微分方程组，得到五维混沌参数解集，所述五维混沌参数解集包括第一混沌参数集、第二混沌参数集、第三混沌参数集、第四混沌参数集和第五混沌参数集，其中，每个混沌参数集中都包含多个混沌参数值；
第一加密模块，用于根据所述第一混沌参数集，对所述第一数字信号的同相分量进行混沌加密，并根据所述第二混沌参数集，对所述第一数字信号的正交分量进行混沌加密，得到第二数字信号；
第二加密模块，用于根据所述第三混沌参数集对所述第二数字信号进行频域的采样点置换加密，得到第三数字信号；
反变换模块，用于对所述第三数字信号进行反傅里叶变换，得到第四数字信号；
第三加密模块，用于根据所述第四混沌参数集对所述第四数字信号进行滤波器组置换加密，得到第五数字信号；
第四加密模块，用于根据所述第五混沌参数集对所述第五数字信号进行时域的采样点置换加密，得到加密数字信号。
可选的，所述五维超混沌微分方程组为：
其中，x表示第一混沌参数，y表示第二混沌参数，z表示第三混沌参数，u表示第四混沌参数，w表示第五混沌参数，t表示时间，
表示对时间求微分，a、b、c、h、k1和k2均表示预设系数。
可选的，所述第一加密模块，具体用于：
采用如下公式计算所述第二数字信号中各个采样点的信号值：
Ck＝(Re[Pk]±Ik)+j(Im[Pk]±Qk)
其中，Pk表示所述第一数字信号中的第k个采样点的信号值，Re[·]表示信号的同相分量，Im[·]表示信号的正交分量，Ik表示基于所述第一混沌参数集中的第k个混沌参数值生成的第k个同相分量加密值，Qk表示基于所述第二混沌参数集中的第k个混沌参数值生成的第k个正交分量加密值，j表示虚部符号，Ck表示所述第二数字信号中第k个采样点的信号值。
可选的，所述第二加密模块，具体用于：
根据所述第三混沌参数集生成第一序列，所述第一序列中的元素数目与所述第二数字信号在频域内的采样点数目相同；
以元素值升序的方式重新排列所述第一序列中的元素，得到第二序列；
根据同一元素在所述第一序列和所述第二序列中所处位置的对应关系，确定频域采样点置换索引；
根据所述频域采样点置换索引，对所述第二数字信号在频域内的采样点进行位置置换，得到第三数字信号。
可选的，第三加密模块，具体用于：
根据所述第四混沌参数集生成第三序列，所述第三序列中的元素数目与滤波器组的数目相同；
以元素值升序的方式重新排列所述第三序列中的元素，得到第四序列；
根据同一元素在所述第三序列和所述第四序列中所处位置的对应关系，确定滤波器组置换索引；
根据所述滤波器组置换索引，对所述滤波器组进行位置置换，并确定第五数字信号，所述第五数字信号是所述第四数字信号经过位置置换后的滤波器组处理后的信号。
可选的，第四加密模块，具体用于：
根据所述第五混沌参数集生成第五序列，所述第五序列中的元素数目与所述第五数字信号在时域内的采样点数目相同；
以元素值升序的方式重新排列所述第五序列中的元素，得到第六序列；
根据同一元素在所述第五序列和所述第六序列中所处位置的对应关系，确定时域采样点置换索引；
根据所述时域采样点置换索引，对所述第五数字信号在时域内的采样点进行位置置换，得到加密数字信号。
为实现上述目的，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线；其中，处理器、通信接口、存储器通过通信总线完成相互间的通信；
存储器，用于存放计算机程序；
处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现上述任一方法步骤。
为实现上述目的，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一方法步骤。
本发明实施例有益效果：
应用本发明实施例提供的基于五维超混沌的FBMC无源光网络物理层加密方法及装置，获取FBMC无源光网络系统中经过符号映射的待加密的第一数字信号；确定初始的五维混沌参数值和五维超混沌微分方程组，并根据初始的五维混沌参数值，求解五维超混沌微分方程组，得到五维混沌参数解集，五维混沌参数解集包括第一混沌参数集、第二混沌参数集、第三混沌参数集、第四混沌参数集和第五混沌参数集，其中，每个混沌参数集中都包含多个混沌参数值；根据第一混沌参数集，对第一数字信号的同相分量进行混沌加密，并根据第二混沌参数集，对第一数字信号的正交分量进行混沌加密，得到第二数字信号；根据第三混沌参数集对第二数字信号进行频域的采样点置换加密，得到第三数字信号；对第三数字信号进行反傅里叶变换，得到第四数字信号；根据第四混沌参数集对第四数字信号进行滤波器组置换加密，得到第五数字信号；根据第五混沌参数集对第五数字信号进行时域的采样点置换加密，得到加密数字信号。可见，将五维超混沌加密应用于FBMC无源光网络中，根据求解五维超混沌微分方程组得到的混沌参数解集，分别从同相分量、正交分量、时域、频域和滤波器组五个维度对数字信号进行加密。并采用混沌初始值作为密钥，混沌系统具有初值参数敏感性，因此即使初始值有非常微小的偏差，都无法破解加密信号，可见能够极大的提高信号传输的安全性。
当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
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实施例。
图1为本发明实施例提供的基于五维超混沌的FBMC无源光网络物理层加密方法的一种流程示意图；
图2为本发明实施例提供的基于五维超混沌的FBMC无源光网络物理层加密方法的一种示意图；
图3为本发明实施例提供的数字信号频域的采样点置换加密的一种流程示意图；
图4为本发明实施例提供的基于五维超混沌的FBMC无源光网络物理层加密方法的另一种示意图；
图5为本发明实施例提供的基于五维超混沌的FBMC无源光网络物理层加密装置的一种结构示意图；
图6为本发明实施例提供的电子设备的一种结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了解决FBMC-PON下行信号容易被窃听导致信号传输安全性不高的技术问题，本发明实施例提供了一种基于五维超混沌的FBMC无源光网络物理层加密方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质。
参见图1，图1为本发明实施例提供的基于五维超混沌的FBMC无源光网络物理层加密方法的一种流程示意图，方法可以包括以下步骤：
S101：获取FBMC无源光网络系统中经过符号映射的待加密的第一数字信号。
本发明实施例提供的基于五维超混沌的FBMC无源光网络物理层加密方法可以应用于FBMC无源光网络系统中的发射端，为了便于理解，可以参见图2，图2为本发明实施例提供的基于五维超混沌的FBMC无源光网络物理层加密方法的一种示意图。如图2所示，二进制码字经过串并转化和符号映射后可以得到第一数字信号，该第一数字信号包含多个采样点，每个采样点的信号值均为复数形式。本发明实施例中，可以针对第一数字信号进行基于五维超混沌的加密，以提高信号传输的安全性。具体加密过程参见下文。
S102：确定初始的五维混沌参数值和五维超混沌微分方程组，并根据初始的五维混沌参数值，求解五维超混沌微分方程组，得到五维混沌参数解集，五维混沌参数解集包括第一混沌参数集、第二混沌参数集、第三混沌参数集、第四混沌参数集和第五混沌参数集，其中，每个混沌参数集中都包含多个混沌参数值。
本发明实施例中，可以基于五维超混沌加密技术从五个维度对要传输的数字信号进行加密。
具体的，可以设置初始的五维混沌参数值作为加密的密钥，将初始的五维混沌参数值代入五维超混沌微分方程组，即可得到五维混沌参数解集，其中五维混沌参数解集包含五个混沌参数集，分别记为第一混沌参数集、第二混沌参数集、第三混沌参数集、第四混沌参数集和第五混沌参数集。
在本发明的一种实施例中，所采用的五维超混沌微分方程组可以为：
其中，x表示第一混沌参数，y表示第二混沌参数，z表示第三混沌参数，u表示第四混沌参数，w表示第五混沌参数，t表示时间，
表示对时间求微分，a、b、c、h、k1和k2均表示预设系数，其值均可以根据实际需求进行设定。
本发明实施例中，设初始的五维混沌参数值分别为x0、y0、z0、u0和w0，则将上述初始的五维混沌参数值代入五维超混沌微分方程组求解，即可得到五个混沌参数集，分别记为第一混沌参数集X、第二混沌参数集Y、第三混沌参数集Z、第四混沌参数集U和第五混沌参数集W，其中X包含的混沌参数值依次记为{x0,x1,x2,x3...xn}，Y包含的混沌参数值依次记为{y0,y1,y2,y3...yn}，Z包含的混沌参数值依次记为{z0,z1,z2,z3...zn}，U包含的混沌参数值依次记为{u0,u1,u2,u3...un}，W包含的混沌参数值依次记为{w0,w1,w2,w3...wn}。
其中，n表示所设定的混沌参数集中混沌参数值的个数。本领域技术人员可以理解，五维超混沌微分方程组的每一维度的解集都包含非常多的数值，但在加密过程中并不能完全用到，因此可以根据实际需求确定n的值。例如，待加密的数字信号中包含128个采样点，则可以设置n＝127，加上初始的五维混沌参数值，每个维度的混沌参数值为128个，即可实现对128个采样点的加密。
本发明实施例中，不限定步骤S101和步骤S102的执行顺序。
S103：根据第一混沌参数集，对第一数字信号的同相分量进行混沌加密，并根据第二混沌参数集，对第一数字信号的正交分量进行混沌加密，得到第二数字信号。
本发明实施例中，五个混沌参数集可以分别对待加密数字信号的五个维度进行加密，五个维度分别为同相分量、正交分量、时域、频域和滤波器组。
具体的，本步骤中，可以根据第一混沌参数集和第二混沌参数集分别对第一数字信号的同相分量和正交分量分别进行混沌加密，得到第二数字信号。
本发明实施例中，可以通过对第一数字信号中各个采样点信号值的同相分量和正交分量额外添加扰动值的方式进行加密，而添加的扰动值是根据混沌参数集确定的。
在本发明的一种实施例中，可以采用公式计算第二数字信号中各个采样点的信号值：
Ck＝(Re[Pk]±Ik)+j(Im[Pk]±Qk)
其中，Pk表示第一数字信号中的第k个采样点的信号值，信号值为复数形式，例如3+1j，则该信号值的同向分量为3，正交分量为1。Re[·]表示信号的同相分量，Im[·]表示信号的正交分量。
Ik表示基于第一混沌参数集中的第k个混沌参数值生成的第k个同相分量加密值。作为一个示例，可以取第一混沌参数集中的第k个混沌参数值的小数部分作为第k个同向分量的加密值Ik。举例来讲，若第一混沌参数集中第3个混沌参数值为1.2，则可以取其小数部分0.2作为第3个采样点信号同向分量的加密值。
当然，也可以采用其他方式根据第k个混沌参数值生成第k个同向分量加密值，例如取第一混沌参数集中的第k个混沌参数值的整数部分作为第k个同向分量的加密值，本发明实施例对此不做限定。
相应的，Qk表示基于第二混沌参数集中的第k个混沌参数值生成的第k个正交分量加密值。也可以取第二混沌参数集中第k个混沌参数值的小数部分作为第k个正交分量的加密值Qk，不再赘述。
上式中，可以根据随机生成的二进制数字串确定“±”取加正值或负值，例如0对应取负值，1对应取正值。容易理解的，发射端应将随机生成的二进制数字串发送至接收端，以便接收端解密。
根据上述公式即可计算得到各个采样点加密后的信号值，仍然为复数形式。可见，第一数字信号中每个采样点的同向分量和正交分量均添加了一个扰动值，且该扰动值是根据第一混沌参数集和第二混沌参数集确定的，因此，接收端如果知道密钥，即可求解出混沌参数集，确定扰动值，进而还原加密前的信号值。
S104：根据第三混沌参数集对第二数字信号进行频域的采样点置换加密，得到第三数字信号。
本发明实施例中，参见图2，经过步骤S103加密得到的第二数字信号是频域内的信号，因此第三混沌参数集可以用于对频域维度的信号进行加密。
具体的，可以根据第三混沌参数集对第二数字信号中各个采样点进行位置的置换，以实现加密。
在本发明的一种实施例中，参见图3，可以根据如下步骤S11-步骤S14对第二数字信号进行频域的采样点置换加密：
步骤S11：根据第三混沌参数集生成第一序列，第一序列中的元素数目与第二数字信号在频域内的采样点数目相同。
本步骤中，可以根据第二数字信号在频域内的采样点数目，截取第三混沌参数集中的参数值，组成第一序列。例如，采样点数目为128，则可以选取第三混沌参数集中的前128个混沌参数值，组成第一序列。
步骤S12：以元素值升序的方式重新排列第一序列中的元素，得到第二序列。
本步骤中，以元素值升序的方式重新排列第一序列中的元素。例如，若原第一序列包含的元素值依次为1.2,0.9,1.1和0.8，则重新排列后的第二序列中元素值依次为0.8,0.9,1.1和1.2。
步骤S13：根据同一元素在第一序列和第二序列中所处位置的对应关系，确定频域采样点置换索引。
本发明实施例中，可以根据同一元素在第一序列和第二序列中所处位置的对应关系，确定频域采样点置换索引。
承接上例，元素值1.2在第一序列处在第一位置，在第二序列处在第四位置，则可以得到一个对应关系，根据所有元素值在第一序列和第二序列中所处位置的对应关系即可确定频域采样点置换索引。
步骤S14：根据频域采样点置换索引，对第二数字信号在频域内的采样点进行位置置换，得到第三数字信号。
举例来讲，若频域采样点置换索引中，原来的第一位置对应置换后的第四位置，则可以将第二数字信号在频域内的第一个采样点置换到第四个采样点。最终得到位置置换后的第三数字信号。
可见，本发明实施例中，通过频域采样点置换的方式对信号的频域维度进行加密，且频域采样点置换索引是根据第三混沌参数集确定的，因此，接收端如果知道密钥，即可求解出混沌参数集，确定频域采样点置换索引，进而还原置换前的数字信号。
S105：对第三数字信号进行反傅里叶变换，得到第四数字信号。
参见图2，在对频域内数字信号进行置换加密后，可以对第三数字信号进行反傅里叶变换，得到第四数字信号，第四数字信号为时域信号。
S106：根据第四混沌参数集对第四数字信号进行滤波器组置换加密，得到第五数字信号。
其中，滤波器组是FBMC无源光网络系统中特有的。通常，在FBMC无源光网络系统中，一个滤波器组对应多个采样点信号。
本发明实施例中，可以根据第四混沌参数集对滤波器组进行位置置换，以进一步提高加密安全性。
在本发明的一种实施例中，可以根据如下步骤21-步骤24对第四数字信号进行滤波器组置换加密：
步骤21：根据第四混沌参数集生成第三序列，第三序列中的元素数目与滤波器组的数目相同。
本步骤中，可以根据滤波器组的数目，截取第四混沌参数集中的参数值，组成第三序列。例如，滤波器组数目为16，则可以选取第四混沌参数集中的前16个混沌参数值，组成第三序列。
步骤22：以元素值升序的方式重新排列第三序列中的元素，得到第四序列。
步骤23：根据同一元素在第三序列和第四序列中所处位置的对应关系，确定滤波器组置换索引。
步骤24：根据滤波器组置换索引，对滤波器组进行位置置换，并确定第五数字信号，第五数字信号是第四数字信号经过位置置换后的滤波器组处理后的信号。
滤波器组置换与图3所示的频域的采样点置换的原理相同，可以参见图3所示实施例，不再赘述。
S107：根据第五混沌参数集对第五数字信号进行时域的采样点置换加密，得到加密数字信号。
本发明实施例中，为了进一步提高加密安全性，可以根据第五混沌参数集对时域内的第五数字信号中各个采样点进行位置的置换。
在本发明的一种实施例中，可以根据如下步骤31-步骤34对第五数字信号进行时域的采样点置换加密：
步骤31：根据第五混沌参数集生成第五序列，第五序列中的元素数目与第五数字信号在时域内的采样点数目相同。
步骤32：以元素值升序的方式重新排列第五序列中的元素，得到第六序列。
步骤33：根据同一元素在第五序列和第六序列中所处位置的对应关系，确定时域采样点置换索引。
步骤34：根据时域采样点置换索引，对第五数字信号在时域内的采样点进行位置置换，得到加密数字信号。
时域采样点置换与图3所示的频域采样点置换的原理相同，可以参见图3所示实施例，不再赘述。
应用本发明实施例提供的基于五维超混沌的FBMC无源光网络物理层加密方法，获取FBMC滤波器组多载波无源光网络系统中经过符号映射的待加密的第一数字信号；确定初始的五维混沌参数值和五维超混沌微分方程组，并根据初始的五维混沌参数值，求解五维超混沌微分方程组，得到五维混沌参数解集，五维混沌参数解集包括第一混沌参数集、第二混沌参数集、第三混沌参数集、第四混沌参数集和第五混沌参数集，其中，每个混沌参数集中都包含多个混沌参数值；根据第一混沌参数集，对第一数字信号的同相分量进行混沌加密，并根据第二混沌参数集，对第一数字信号的正交分量进行混沌加密，得到第二数字信号；根据第三混沌参数集对第二数字信号进行频域的采样点置换加密，得到第三数字信号；对第三数字信号进行反傅里叶变换，得到第四数字信号；根据第四混沌参数集对第四数字信号进行滤波器组置换加密，得到第五数字信号；根据第五混沌参数集对第五数字信号进行时域的采样点置换加密，得到加密数字信号。可见，将五维超混沌加密应用于FBMC无源光网络中，根据求解五维超混沌微分方程组得到的混沌参数解集，分别从同相分量、正交分量、时域、频域和滤波器组五个维度对数字信号进行加密。并采用混沌初始值作为密钥，混沌系统具有初值参数敏感性，因此即使初始值有非常微小的偏差，都无法破解加密信号，可见能够极大的提高信号传输的安全性。
为了便于理解，下面结合图4对本发明实施例提供的基于五维超混沌的FBMC无源光网络物理层加密方法进一步说明。
参见图4，图4中灰色阴影框所示步骤为本发明实施例提供的五维超混沌加密传输流程相比于未加密的信号传输流程新添加的步骤。图4所示实施例中，初始的五维混沌参数值作为密钥，进而根据五维超混沌微分方程组确定五维混沌参数集，图4中分别用x,y,z,u和w依次表示每个维度的混沌参数集，每个维度的混沌参数集都可以序列形式的，即每个混沌参数集都包含多个混沌参数值。混沌参数集x用于对信号的同向分量进行加密，混沌参数集y用于对信号的正交分量进行加密，混沌参数集z用于对频域的信号采样点进行置乱加密，混沌参数集u用于对滤波器组进行置乱加密，在对滤波器组进行置乱加密后，可以进行并串转换将信号转换为串行信号，随后用混沌参数w对时域的信号采样点进行置乱加密。待传输的数字信号经过五个维度加密后，后续的调制过程与现有技术相同。图4所示实施例中，加密信号经过双路采样，分别与预设载波和相移90度的载波相乘再相加，再经过激光器以及调制器的调制，即可通过光纤信号向接收端传输。
基于相同的发明构思，根据上述基于五维超混沌的FBMC无源光网络物理层加密方法实施例，本发明实施例还提供了一种基于五维超混沌的FBMC无源光网络物理层加密装置，参见图5，可以包括以下模块：
获取模块501，用于获取FBMC滤波器组多载波无源光网络系统中经过符号映射的待加密的第一数字信号；
确定模块502，用于确定初始的五维混沌参数值和五维超混沌微分方程组，并根据初始的五维混沌参数值，求解五维超混沌微分方程组，得到五维混沌参数解集，五维混沌参数解集包括第一混沌参数集、第二混沌参数集、第三混沌参数集、第四混沌参数集和第五混沌参数集，其中，每个混沌参数集中都包含多个混沌参数值；
第一加密模块503，用于根据第一混沌参数集，对第一数字信号的同相分量进行混沌加密，并根据第二混沌参数集，对第一数字信号的正交分量进行混沌加密，得到第二数字信号；
第二加密模块504，用于根据第三混沌参数集对第二数字信号进行频域的采样点置换加密，得到第三数字信号；
反变换模块505，用于对第三数字信号进行反傅里叶变换，得到第四数字信号；
第三加密模块506，用于根据第四混沌参数集对第四数字信号进行滤波器组置换加密，得到第五数字信号；
第四加密模块507，用于根据第五混沌参数集对第五数字信号进行时域的采样点置换加密，得到加密数字信号。
在本发明的一种实施例中，五维超混沌微分方程组为：
其中，x表示第一混沌参数，y表示第二混沌参数，z表示第三混沌参数，u表示第四混沌参数，w表示第五混沌参数，t表示时间，
表示对时间求微分，a、b、c、h、k1和k2均表示预设系数。
在本发明的一种实施例中，第二加密模块504，可以具体用于：
根据第三混沌参数集生成第一序列，第一序列中的元素数目与第二数字信号在频域内的采样点数目相同；
以元素值升序的方式重新排列第一序列中的元素，得到第二序列；
根据同一元素在第一序列和第二序列中所处位置的对应关系，确定频域采样点置换索引；
根据频域采样点置换索引，对第二数字信号在频域内的采样点进行位置置换，得到第三数字信号。
在本发明的一种实施例中，第三加密模块506，可以具体用于：
根据第四混沌参数集生成第三序列，第三序列中的元素数目与滤波器组的数目相同；
以元素值升序的方式重新排列第三序列中的元素，得到第四序列；
根据同一元素在第三序列和第四序列中所处位置的对应关系，确定滤波器组置换索引；
根据滤波器组置换索引，对滤波器组进行位置置换，并确定第五数字信号，第五数字信号是第四数字信号经过位置置换后的滤波器组处理后的信号。
在本发明的一种实施例中，第四加密模块507，可以具体用于：
根据第五混沌参数集生成第五序列，第五序列中的元素数目与第五数字信号在时域内的采样点数目相同；
以元素值升序的方式重新排列第五序列中的元素，得到第六序列；
根据同一元素在第五序列和第六序列中所处位置的对应关系，确定时域采样点置换索引；
根据时域采样点置换索引，对第五数字信号在时域内的采样点进行位置置换，得到加密数字信号。
应用本发明实施例提供的基于五维超混沌的FBMC无源光网络物理层加密装置，获取FBMC无源光网络系统中经过符号映射的待加密的第一数字信号；确定初始的五维混沌参数值和五维超混沌微分方程组，并根据初始的五维混沌参数值，求解五维超混沌微分方程组，得到五维混沌参数解集，五维混沌参数解集包括第一混沌参数集、第二混沌参数集、第三混沌参数集、第四混沌参数集和第五混沌参数集，其中，每个混沌参数集中都包含多个混沌参数值；根据第一混沌参数集，对第一数字信号的同相分量进行混沌加密，并根据第二混沌参数集，对第一数字信号的正交分量进行混沌加密，得到第二数字信号；根据第三混沌参数集对第二数字信号进行频域的采样点置换加密，得到第三数字信号；对第三数字信号进行反傅里叶变换，得到第四数字信号；根据第四混沌参数集对第四数字信号进行滤波器组置换加密，得到第五数字信号；根据第五混沌参数集对第五数字信号进行时域的采样点置换加密，得到加密数字信号。可见，将五维超混沌加密应用于FBMC无源光网络中，根据求解五维超混沌微分方程组得到的混沌参数解集，分别从同相分量、正交分量、时域、频域和滤波器组五个维度对数字信号进行加密。并采用混沌初始值作为密钥，混沌系统具有初值参数敏感性，因此即使初始值有非常微小的偏差，都无法破解加密信号，可见能够极大的提高信号传输的安全性。
基于相同的发明构思，根据上述基于五维超混沌的FBMC无源光网络物理层加密方法实施例，本发明实施例还提供了一种电子设备，如图6所示，包括处理器601、通信接口602、存储器603和通信总线604，其中，处理器601，通信接口602，存储器603通过通信总线604完成相互间的通信，
存储器603，用于存放计算机程序；
处理器601，用于执行存储器603上所存放的程序时，实现如下步骤：
获取FBMC滤波器组多载波无源光网络系统中经过符号映射的待加密的第一数字信号；
确定初始的五维混沌参数值和五维超混沌微分方程组，并根据初始的五维混沌参数值，求解五维超混沌微分方程组，得到五维混沌参数解集，五维混沌参数解集包括第一混沌参数集、第二混沌参数集、第三混沌参数集、第四混沌参数集和第五混沌参数集，其中，每个混沌参数集中都包含多个混沌参数值；
根据第一混沌参数集，对第一数字信号的同相分量进行混沌加密，并根据第二混沌参数集，对第一数字信号的正交分量进行混沌加密，得到第二数字信号；
根据第三混沌参数集对第二数字信号进行频域的采样点置换加密，得到第三数字信号；
对第三数字信号进行反傅里叶变换，得到第四数字信号；
根据第四混沌参数集对第四数字信号进行滤波器组置换加密，得到第五数字信号；
根据第五混沌参数集对第五数字信号进行时域的采样点置换加密，得到加密数字信号。
上述电子设备提到的通信总线可以是外设部件互连标准(Peripheral ComponentInterconnect，PCI)总线或扩展工业标准结构(Extended Industry StandardArchitecture，EISA)总线等。该通信总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
通信接口用于上述电子设备与其他设备之间的通信。
存储器可以包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以包括非易失性存储器(Non-Volatile Memory，NVM)，例如至少一个磁盘存储器。可选的，存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器的存储装置。
上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital SignalProcessing，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
应用本发明实施例提供的电子设备，获取FBMC无源光网络系统中经过符号映射的待加密的第一数字信号；确定初始的五维混沌参数值和五维超混沌微分方程组，并根据初始的五维混沌参数值，求解五维超混沌微分方程组，得到五维混沌参数解集，五维混沌参数解集包括第一混沌参数集、第二混沌参数集、第三混沌参数集、第四混沌参数集和第五混沌参数集，其中，每个混沌参数集中都包含多个混沌参数值；根据第一混沌参数集，对第一数字信号的同相分量进行混沌加密，并根据第二混沌参数集，对第一数字信号的正交分量进行混沌加密，得到第二数字信号；根据第三混沌参数集对第二数字信号进行频域的采样点置换加密，得到第三数字信号；对第三数字信号进行反傅里叶变换，得到第四数字信号；根据第四混沌参数集对第四数字信号进行滤波器组置换加密，得到第五数字信号；根据第五混沌参数集对第五数字信号进行时域的采样点置换加密，得到加密数字信号。可见，将五维超混沌加密应用于FBMC无源光网络中，根据求解五维超混沌微分方程组得到的混沌参数解集，分别从同相分量、正交分量、时域、频域和滤波器组五个维度对数字信号进行加密。并采用混沌初始值作为密钥，混沌系统具有初值参数敏感性，因此即使初始值有非常微小的偏差，都无法破解加密信号，可见能够极大的提高信号传输的安全性。
在本发明提供的又一实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质内存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述任一基于五维超混沌的FBMC无源光网络物理层加密方法的步骤。
在本发明提供的又一实施例中，还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述实施例中任一基于五维超混沌的FBMC无源光网络物理层加密方法。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例的流程或功能。计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘Solid State Disk(SSD))等。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于基于五维超混沌的FBMC无源光网络物理层加密装置、电子设备及计算机可读存储介质、计算机程序产品实施例而言，由于其基本相似于基于五维超混沌的FBMC无源光网络物理层加密方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见基于五维超混沌的FBMC无源光网络物理层加密方法实施例的部分说明即可。
以上仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于五维超混沌的FBMC无源光网络物理层加密方法，其特征在于，所述方法包括：
获取FBMC滤波器组多载波无源光网络系统中经过符号映射的待加密的第一数字信号；
确定初始的五维混沌参数值和五维超混沌微分方程组，并根据所述初始的五维混沌参数值，求解所述五维超混沌微分方程组，得到五维混沌参数解集，所述五维混沌参数解集包括第一混沌参数集、第二混沌参数集、第三混沌参数集、第四混沌参数集和第五混沌参数集，其中，每个混沌参数集中都包含多个混沌参数值；
根据所述第一混沌参数集，对所述第一数字信号的同相分量进行混沌加密，并根据所述第二混沌参数集，对所述第一数字信号的正交分量进行混沌加密，得到第二数字信号；
根据所述第三混沌参数集对所述第二数字信号进行频域的采样点置换加密，得到第三数字信号；
对所述第三数字信号进行反傅里叶变换，得到第四数字信号；
根据所述第四混沌参数集对所述第四数字信号进行滤波器组置换加密，得到第五数字信号；
根据所述第五混沌参数集对所述第五数字信号进行时域的采样点置换加密，得到加密数字信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述五维超混沌微分方程组为：
其中，x表示第一混沌参数，y表示第二混沌参数，z表示第三混沌参数，u表示第四混沌参数，w表示第五混沌参数，t表示时间，
表示对时间求微分，a、b、c、h、k1和k2均表示预设系数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一混沌参数集，对所述第一数字信号的同相分量进行混沌加密，并根据所述第二混沌参数集，对所述第一数字信号的正交分量进行混沌加密，得到第二数字信号的步骤，包括：
采用如下公式计算所述第二数字信号中各个采样点的信号值：
Ck＝(Re[Pk]±Ik)+j(Im[Pk]±Qk)
其中，Pk表示所述第一数字信号中的第k个采样点的信号值，Re[·]表示信号的同相分量，Im[i]表示信号的正交分量，Ik表示基于所述第一混沌参数集中的第k个混沌参数值生成的第k个同相分量加密值，Qk表示基于所述第二混沌参数集中的第k个混沌参数值生成的第k个正交分量加密值，j表示虚部符号，Ck表示所述第二数字信号中第k个采样点的信号值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述第三混沌参数集对所述第二数字信号进行频域的采样点置换加密，得到第三数字信号的步骤，包括：
根据所述第三混沌参数集生成第一序列，所述第一序列中的元素数目与所述第二数字信号在频域内的采样点数目相同；
以元素值升序的方式重新排列所述第一序列中的元素，得到第二序列；
根据同一元素在所述第一序列和所述第二序列中所处位置的对应关系，确定频域采样点置换索引；
根据所述频域采样点置换索引，对所述第二数字信号在频域内的采样点进行位置置换，得到第三数字信号。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述第四混沌参数集对所述第四数字信号进行滤波器组置换加密，得到第五数字信号的步骤，包括：
根据所述第四混沌参数集生成第三序列，所述第三序列中的元素数目与滤波器组的数目相同；
以元素值升序的方式重新排列所述第三序列中的元素，得到第四序列；
根据同一元素在所述第三序列和所述第四序列中所处位置的对应关系，确定滤波器组置换索引；
根据所述滤波器组置换索引，对所述滤波器组进行位置置换，并确定第五数字信号，所述第五数字信号是所述第四数字信号经过位置置换后的滤波器组处理后的信号。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述第五混沌参数集对所述第五数字信号进行时域的采样点置换加密，得到加密数字信号的步骤，包括：
根据所述第五混沌参数集生成第五序列，所述第五序列中的元素数目与所述第五数字信号在时域内的采样点数目相同；
以元素值升序的方式重新排列所述第五序列中的元素，得到第六序列；
根据同一元素在所述第五序列和所述第六序列中所处位置的对应关系，确定时域采样点置换索引；
根据所述时域采样点置换索引，对所述第五数字信号在时域内的采样点进行位置置换，得到加密数字信号。
7.一种基于五维超混沌的FBMC无源光网络物理层加密装置，其特征在于，所述装置包括：
获取模块，用于获取FBMC滤波器组多载波无源光网络系统中经过符号映射的待加密的第一数字信号；
确定模块，用于确定初始的五维混沌参数值和五维超混沌微分方程组，并根据所述初始的五维混沌参数值，求解所述五维超混沌微分方程组，得到五维混沌参数解集，所述五维混沌参数解集包括第一混沌参数集、第二混沌参数集、第三混沌参数集、第四混沌参数集和第五混沌参数集，其中，每个混沌参数集中都包含多个混沌参数值；
第一加密模块，用于根据所述第一混沌参数集，对所述第一数字信号的同相分量进行混沌加密，并根据所述第二混沌参数集，对所述第一数字信号的正交分量进行混沌加密，得到第二数字信号；
第二加密模块，用于根据所述第三混沌参数集对所述第二数字信号进行频域的采样点置换加密，得到第三数字信号；
反变换模块，用于对所述第三数字信号进行反傅里叶变换，得到第四数字信号；
第三加密模块，用于根据所述第四混沌参数集对所述第四数字信号进行滤波器组置换加密，得到第五数字信号；
第四加密模块，用于根据所述第五混沌参数集对所述第五数字信号进行时域的采样点置换加密，得到加密数字信号。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述五维超混沌微分方程组为：
其中，x表示第一混沌参数，y表示第二混沌参数，z表示第三混沌参数，u表示第四混沌参数，w表示第五混沌参数，t表示时间，
表示对时间求微分，a、b、c、h、k1和k2均表示预设系数。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一加密模块，具体用于：
采用如下公式计算所述第二数字信号中各个采样点的信号值：
Ck＝(Re[Pk]±Ik)+j(Im[Pk]±Qk)
其中，Pk表示所述第一数字信号中的第k个采样点的信号值，Re[i]表示信号的同相分量，Im[·]表示信号的正交分量，Ik表示基于所述第一混沌参数集中的第k个混沌参数值生成的第k个同相分量加密值，Qk表示基于所述第二混沌参数集中的第k个混沌参数值生成的第k个正交分量加密值，j表示虚部符号，Ck表示所述第二数字信号中第k个采样点的信号值。
10.一种电子设备，其特征在于，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；
存储器，用于存放计算机程序；
处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现权利要求1-6任一所述的方法步骤。
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