CN111525998A - 基于模式、时隙和频率复合矢量的高可靠光传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通信、传感基于模式、时隙和频率复合矢量的高可靠光传输方法，将用户数据映射成并行的数据符号，利用秘钥对信息进行预掩蔽，利用Logistic混沌算法对秘钥进行处理，生成掩蔽矩阵及三组置乱向量，对数据符号预掩蔽，产生OFDM数据流；再利用三组置乱向量依次对信号的频率、时隙和模式进行置乱，同时将信号调制到光载波上；信号由少模光纤进行传输；数据接收端接收置乱后的信号，先利用密钥对置乱后的信号的模式进行解密重组后，再利用密钥对信号的时频混合域完成解密重组和解映射，得到用户数据。本发明极大地提升了用户通信的安全性，适用于需要高可靠光传输方法的通信系统。且易于实现，是作为未来高安全光传输系统的有效方案。

Description

基于模式、时隙和频率复合矢量的高可靠光传输方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域的光传输技术以及加密技术，尤其涉及基于模式、时隙和频率复合矢量的高可靠光传输方法。

背景技术

近年来，OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术在各种光学系统中得到了广泛的关注，其通过频分复用实现高速串行数据的并行传输,具有较好的抗多径衰弱的能力，能够支持多用户接入。OFDM技术由MCM(Multi-CarrierModulation，多载波调制)发展而来。OFDM技术是多载波传输方案的实现方式之一，它的调制和解调是分别基于IFFT和FFT来实现的，是实现复杂度最低、应用最广的一种多载波传输方案。它可以受益于几个优点，如高光谱效率，对光纤色散的容忍度和可扩展性与可实现的复杂性。目前，最高的光网络容量是通过光相干OFDM(CO-OFDM)技术实现的。

然而，以往关于光OFDM的文献多集中于网络容量或数字信号处理以提高信号性能，而对系统安全性的研究较少。在各种提出的安全技术中，大部分都集中在媒体访问控制(MAC)层等高层的加密协议上。它只加密信息数据，不能保证系统的绝对安全。物理层上的加密本质上可以在更高的层上增强安全过程，这将使整体得系统变得更加安全。为了提高OFDM无线电区域的物理层安全性，人们探索了各种技术。在这些方法中，一种是将OFDM符号嵌入到一个缺口超宽带(UWB)信号中，从而构建一个不可检测的系统。但是，它需要锐化的滤波器，并且由于增加的噪声会导致误码率(BER)的间隙。混沌技术以其较高的初始条件灵敏度而被广泛应用于密码领域。OFDM信号掩蔽可以采用混沌序列置换，使信号具有高度不可预测性和噪声性。另一方面，由于OFDM信号的数字处理方便，在不改变任何光电模块的情况下实现数据加密是可行的。

混沌理论在信息安全领域中有着广泛的应用空间，在保密通信中，混沌算法已经取得许多令人瞩目的成果。利用混沌同步，将各种混沌系统应用于保密通信中，大大加强了信息的保密性和抗破译能力。混沌系统虽然有不可预测性、对初始条件敏感等特点，但是一般的混沌系统普遍都存在缺点，如相对较小的密钥空间、非均匀的序列分布等，会使加密存在风险。如果能将低维单混沌系统进行改进，增加其可变参数，增强混沌特性，就可以获得更大的密钥空间，能有效抵御穷举攻击。目前，尚未发现有通过增加其可变参数，增强混沌特性从而获得高可靠性数据加密的相关文献。

发明内容

针对上述问题，本专利新提出了一种基于模式、时隙和频率复合矢量的高可靠光传输方法。分别对于光信号的模式、时隙、频率进行加密，算法结构简单，由于三次加密，攻击者必须获得三个不同的混沌映射序列，才能使用本方案进行解密，故可靠性程度相当高，对于光网络安全传输有相当大的益处。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

基于模式、时隙和频率复合矢量的高可靠光传输方法，包括以下步骤：

步骤一、将用户数据映射成并行的数据符号，

步骤二、利用秘钥对信息进行预掩蔽，利用Logistic混沌算法对秘钥进行处理，生成掩蔽矩阵及三组置乱向量，通过掩蔽矩阵对用户数据映射成并行的数据符号预掩蔽，产生OFDM数据流；再利用三组置乱向量依次对信号的频率、时隙和模式进行置乱，同时将信号调制到光载波上；

步骤三、将置乱后的信号由少模光纤进行传输；

步骤四、数据接收端接收置乱后的信号，先利用密钥对置乱后的信号的模式进行解密重组后，再对信号进行光电调制，再利用密钥对信号的时频混合域完成解密重组和解映射，得到用户数据。

为优化上述结构形式，采取的具体措施还包括：

步骤一中，用户数据首先经过正交幅度调制由比特数据映射为符号数据；利用掩蔽矩阵对原始符号数据进行预掩蔽，产生OFDM数据流。

步骤二中，由密钥生成单元生成秘钥参数，秘钥参数代入Logistic混沌算法生成具有频率置乱向量、时间置乱向量和模式置乱向量的密钥序列，先使用频率置乱向量和时间置乱向量分别对被预掩蔽的符号数据在频域和时域内进行置乱，之后符号数据通过电光转换调制到经模式置乱向量处理后的光载波上。

步骤一中，用户数据映射成并行的数据符号可表示为：

其中c_k表示第k个子载波的QAM映射符号，f_k为第k个子载波的频率，a为虚数的符号；步骤二中，使用Logistic混沌算法生成生成的2×2的矩阵R对信号OFDM信号进行掩蔽：

a_j和b_j为满足|R|＝1的数，c_k'表示第k个子载波掩蔽后的QAM映射符号；

对模式、时隙、频率置乱后，加密的OFDM信号为：

M,T和F分别为Logistic混沌算法生成的频率置乱向量、时间置乱向量和模式置乱向量的密钥序列。

本发明基于Logistic算法对OFDM系统进行预掩蔽后，再分别对OFDM系统中的模式、时隙、频率分别进行置乱加密，在接收端用掩蔽矩阵和置乱向量生成解密序列进行解密；该方案将Logistic混沌算法进行三次使用，来产生不同密钥序列，在系统中进行了三次加密，增大了密钥源复杂性以及系统的加密性能，极大地提升了用户通信的安全性，适用于需要高可靠光传输方法的通信系统。且易于实现，是作为未来高安全光传输系统的有效方案。

附图说明

图1为本发明的基于模式、时隙和频率复合矢量的高可靠光传输方法的流程示意图；

图2为时隙和频率置乱示意图；

图3为模式置乱示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

本实施例的基于模式、时隙和频率复合矢量的高可靠光传输方法如图1所示，用户的数据首先分别经过正交幅度调制(QAM)由比特数据映射为符号数据；利用掩蔽矩阵对原始数据符号进行预掩蔽后，使用频率置乱向量和时间置乱向量分别对被预掩蔽的符号数据在频域和时域内进行置乱，此时完成了OFDM符号的加密映射；之后通过电光转换调制到模式被置乱的光信号上；光信号通过光纤链路后传入接收端，接收端首先进行对模式进行重组解密，再通过光电转换将光信号转换为电信号；在OFDM符号解映射单元，用户需要利用频率和时间置换向量进行解密后才能正确地提取符号并解映射；最后利用预掩蔽矩阵解掩蔽后通过并串变换对基带信号进行处理恢复出原始数据。发送端和接收端由相同的混沌算法产生掩蔽矩阵和模式、时隙、频率置乱向量，以保证可以提供足够的信息使接收端可以生成于发送端相同的混沌排列矩阵，便于将置乱后的模式及时频域序列进行重组。如果不知道安全密钥，就无法将序列进行重组，得到正确的数据。

本发明对信息进行预掩蔽和置乱的具体方法为：

未进行预掩蔽的用户数据映射成并行的数据符号可表示为：

其中c_k表示第k个子载波的QAM映射符号，f_k为第k个子载波的频率，a为虚数的符号；步骤二中，使用Logistic混沌算法生成生成的2×2的矩阵R对信号OFDM信号进行掩蔽：

a_j和b_j为满足|R|＝1的数，c_k'表示第k个子载波掩蔽后的QAM映射符号；

对模式、时隙、频率置乱后，加密的OFDM信号为：

M,T和F分别为Logistic混沌算法生成的频率置乱向量、时间置乱向量和模式置乱向量的密钥序列。

以频域混沌置乱过程为例，对于N个子载波的数据p(n)而言，将p(n)与p(x_n)的值进行交换，这里1≤n≤N，{x_n}是Logistic算法生成的密钥序列。假设n＝2,x_n＝x₂＝6，即交换p(2)与p(6)的值。若需要进行置乱的频率为{f₁,f₂,f₃,f₄,f₅}，将频率置乱矩阵F与它进行迭代运算后，生成的新频率序列为{f₂,f₅,f₄,f₁,f₃}。对时隙和模式使用相同的Logistic算法进行混沌置乱，生成的密钥序列分别记为t_k和m_n，为了增加密钥序列的复杂度，可以使用不同的参数来对密钥序列进行预处理。

对于时隙的加密同理，若原时隙为{t₁,t₂,t₃,t₄,t₅,t₆}，则利用时隙置乱矩阵T与之进行运算后，得到的新时隙序列为{t₅,t₃,t₁,t₆,t₄,t₂}，从而达到我们想要的加密效果。

可以认为预掩蔽后输出的为OFDM的数据帧结构，如图2所示，其中水平和竖直方向分别代表信号的时隙和频率。

以模式置乱过程为例，在对模式进行置乱之前，假设4组置乱后的OFDM信号会被分别调制到模式序列为{m₁,m₂,m₃,m₄}的光载波上，将模式置乱向量M与原模式序列进行运算，可得到新的模式序列{m₃,m₁,m₄,m₂}，如图3所示：图中圆环为四个相互正交的模式，从内向外依次为模式1，模式2，模式3和模式4，虚线表示为将信号调制到虚线对应的模式上。未进行置乱时，信号1～4分别被调制到对应的模式上；置乱后，信号1～4分别被调制到模式3，模式1，模式4和模式2上。

通过三次计算，原始数据每个相应位置的值都被随机置乱，使用的混沌Logistic映射作为随机源进一步提高了加密性能和安全性。

本发明的接收端对加密后的OFDM信号的解调解密过程为发送端的逆过程，通过预先得知的秘钥序列，进行重组解密，同时可以得到掩蔽矩阵对信号进行解掩蔽。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.基于模式、时隙和频率复合矢量的高可靠光传输方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤一、将用户数据映射成并行的数据符号，

步骤二、利用秘钥对信息进行预掩蔽，利用Logistic混沌算法对秘钥进行处理，生成掩蔽矩阵及三组置乱向量，通过掩蔽矩阵对用户数据映射成并行的数据符号预掩蔽，产生OFDM数据流；再利用三组置乱向量依次对信号的频率、时隙和模式进行置乱，同时将信号调制到光载波上；

步骤三、将置乱后的信号由少模光纤进行传输；

步骤四、数据接收端接收置乱后的信号，先利用密钥对置乱后的信号的模式进行解密重组后，再对信号进行光电调制，再利用密钥对信号的时频混合域完成解密重组和解映射，得到用户数据。

2.根据权利要求1所述的基于模式、时隙和频率复合矢量的高可靠光传输方法，其特征是：步骤一中，用户数据首先经过正交幅度调制由比特数据映射为符号数据；利用掩蔽矩阵对原始符号数据进行预掩蔽，产生OFDM数据流。

3.根据权利要求1所述的基于模式、时隙和频率复合矢量的高可靠光传输方法，其特征是：步骤二中，由密钥生成单元生成秘钥参数，秘钥参数代入Logistic混沌算法生成具有频率置乱向量、时间置乱向量和模式置乱向量的密钥序列，先使用频率置乱向量和时间置乱向量分别对被预掩蔽的符号数据在频域和时域内进行置乱，之后符号数据通过电光转换调制到经模式置乱向量处理后的光载波上。

4.根据权利要求3所述的基于模式、时隙和频率复合矢量的高可靠光传输方法，其特征是：步骤一中，用户数据映射成并行的数据符号可表示为：

其中c_k表示第k个子载波的QAM映射符号，f_k为第k个子载波的频率，a为虚数的符号；步骤二中，使用Logistic混沌算法生成生成的2×2的矩阵R对信号OFDM信号进行掩蔽：

a_j和b_j为满足|R|＝1的数，c_k'表示第k个子载波掩蔽后的QAM映射符号；

对模式、时隙、频率置乱后，加密的OFDM信号为：

M,T和F分别为Logistic混沌算法生成的频率置乱向量、时间置乱向量和模式置乱向量的密钥序列。

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