CN111600661B - 基于实时更新的混沌密钥分发的三维加密ofdm光系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于实时更新的混沌密钥分发的三维加密OFDM光系统，首先将原始二进制比特流根据OFDM子载波数进行串并转换后，再进行扩散加密，每行数据进行单向扩散加密后可以有效地抵抗差分攻击，QAM映射之后，通过logistic混沌系统对其IQ加密，对数据进行IQ加密后，得到时频二维矩阵，再使用超混沌lorenz系统对其进行置乱，然后实时更新的混沌密钥分发，发送方和接收方之间首先约定了使用混沌系统方程类型，除密钥参数是实时产生的，收发双方都可以同时获取，且对第三方保密，实时产生密钥参数的方法是根据光通信系统的互易性以及信道参数随机变化产生的。本发明无需修改原有的自由空间可见光系统，即可实现对可见光系统加密，有效对抗通信窃听等安全问题。

Description

基于实时更新的混沌密钥分发的三维加密OFDM光系统

技术领域

本发明涉及可见光通信技术领域，特别涉及一种基于实时更新的混沌密钥分发的三维加密OFDM光系统。

背景技术

虽然无线光通信由于具有指向性，相较于电磁通信更好一些，但是目前也有设备可以窃听到光网络的信息。因此，无线光通信也面临安全问题，在没有加密措施，无线光通信系统可能遇到的信息截获，窃听，伪装，篡改数据内容，如非法转播记录不合理的攻击。本发明使用三维加密、多混沌系统混合加密、实时混沌密钥分发这加密方式，无需修改原先的通信模块与链路，完全兼容现有光通信体系，且加密效果显著。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于实时更新的混沌密钥分发的三维加密OFDM光系统，解决现有技术中存在的密钥静态、抵御枚举效果差、需要额外硬件的问题。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：

基于实时更新的混沌密钥分发的三维加密OFDM光系统，包括三维加密、多混沌系统混合加密和实时混沌密钥分发，所述三维加密包括第一维加密，第二维加密和第三维加密，所述第一维加密为单向扩散，所述第二维加密为IQ加密，所述第三维加密为时频二维置乱：

所述第一维加密的过程为原始二进制比特流根据OFDM子载波数进行串并转换后，再进行扩散加密，每行数据长度为L，首先将长度为L原始二进制数据以t＝8比特为一单位转化十进制数据流记为P，具体包括以下步骤：

第一步：超混沌Chen系统的系统方程：

式中：a,b,c,d,r为参数，加密系统选取参数a＝35,b＝3,c＝12,d＝7,r＝0.5时，系统初始值为x₁₀,y₁₀,z₁₀,u₁₀；

釆用超混沌Chen系统产生4个长度为

的超混沌序列x,y,z,u，其中，N₀,N₁为固定值，将这4个混沌序列去掉前N₀个暂态数据，合并成一个长度为

的混沌序列W＝{x,y,z,u}，设定两个值m和n，其中Max(m,n)<N₁构建如下两个混沌序列：

由于生成的混沌序列并不适合直接用于加密算法中，所以把S₁,S₂按照下式改造成适合加密的密钥Key₁,Key₂：

Key1(j)＝mod(floor(S1(j)×10¹⁴),2^t)

Key2(j)＝mod(floor(S2(j)×10¹⁴),2^t)

其中，S1(j)表示序列S1的第j个数值，S2(j)表示序列S2的第j个数值；

第二步：先用Key₁将每一行的数据流P置乱，方法如下：

每行的十进制数据P长度为

将Key₁序列的数据按从小到大的顺序进行排列，记录每个数据的改变的索引过程，数据流P的长度和Key₁的长度一致，数据流P按照其在Key₁对应的数据改变的索引过程进行位置置换；

行数据流P置乱后的数据记为C₁,再用Key₂按照下式对C₁进行加密，得到加密数据C₂：

设定C₂(0)存在且为常数100，

表示比特异或；

第三步：重得到加密数据C2后，重复第二步的过程，即先使用Key1进行置乱，再使用Key2对C2置乱后的数据进行如对C1加密一样的操作，得到最终的加密数据C3，再将数据C3转化为二进制数据；

第二步过程完成了OFDM加密系统中的一行数据加密，在加密系统的单向扩散过程中，将逐行按照第二步操作进行，实现密钥1的第一维加密，所述密钥1的参数为超混沌Chen系统的初始参数x₁₀,y₁₀,z₁₀,u₁₀；

所述第二维加密的过程为对密钥1进行QAM映射之后，通过logistic混沌系统对其IQ加密；

logistic混沌系统系统方程：

x_k+1＝μx_k(1-x_k),x_k∈(0,1)

μ∈[0,4]被称为Logistic参数，logistic混沌的初始值为x₂₀；

采用logistic混沌系统产生x混沌序列(去掉暂态)，其中x序列的数据长度为OFDM输入数据进行QAM映射后的符号数据的个数，对其进行预处理，得到X：

X(i)＝sign(mod(fix(x(i)×10¹⁴),256)-128)

数据X的取值为1，0，-1；

数据X分为相同长度的{R_i},{I_i}序列，对QAM映射后的数据进行IQ加密，得到时频二维矩阵，且形成密钥2，所述密钥2的参数为logistic混沌系统的参数μ和x₂₀；

所述第三维加密的过程为对密钥2使用超混沌lorenz系统对其进行置乱；

上式中a,b,c,d为常实数，取a＝10,b＝8/3,c＝28,d＝5，系统初始值为x₃₀,y₃₀,z₃₀,u₃₀；

OFDM帧数据在进行IFFT变换前是以时频二维矩阵形式存在，矩阵中不同行表示不同频率，不同列表示不同时间；使用超混沌Lorenz系统产生四个混沌序列x，y，z，u，将这四个混沌序列合并成一个序列K＝{x，y，z，u}；使用序列K的数据填入具有时频二维矩阵相同大小的矩阵中，对由序列K生成的矩阵的每一列数据按照从小到大的顺序进行排列，并记录每个数据改变的索引过程，再把OFDM帧的时频二维矩阵的每一列对应的数据按照其索引变化进行位置置乱，完成频域置乱，同样地对时频二维矩阵的列位置置乱完成时域置乱，形成密钥3，所述密钥3的参数为超混沌Lorenz系统的初始参数x₃₀,y₃₀,z₃₀,u₃₀；

所述密钥1，密钥2,和密钥3的初始参数是不同的；

所述多混沌系统混合加密和所述实时混沌密钥分发的具体过程为：

基于实时更新的混沌密钥分发，在该密钥分发方法中，发送方和接收方之间先约定使用混沌系统方程类型，除密钥参数是实时产生的，发送方和接收方同时获取，且对第三方保密，实时产生密钥参数的方法是根据光通信系统的互易性以及信道参数随机变化产生的，

发送端(Alice)和接收端(Bob)各自同时向彼此的终端发射连续激光束，分别测量其接收到的光强，各自测量的光强会产生随机波动的原因为光束通过的水通道的折射率的随机变化，收发双方用链路的信道状态信息(随机变化的光强)作为动态密钥参数进行传输；

收发双方检测到的光强，以其接收到的光强的中值为阈值，对光强数据进行划分转化为“0”或“1”，实现密钥参数的数值化，根据需求可以把二进制转化为十进制数，发送端(Alice)和接收端(Bob)都存储了各自检测到的数值化光强I参数，这样收发双方都有了加密和解密所需的密钥参数，在进行第i次数据传输之前，发送方根据X_i完成混沌系统状态参数设置：

X_i＝{x₁₀,y₁₀,z₁₀,u₁₀,μ,x₂₀,x₃₀,y₃₀,z₃₀,u₃₀}

然后利用其控制混沌系统生成密钥序列，对发送数据进行加密，发送给接收方；同时，发送方根据约定的状态参数生成方式(检测到的光强)，产生下一次通信所需的混沌系统状态参数X_i+1,并将其存储。

接收方接收到数据后，首先利用已有的混沌系统状态参数X_i，控制混沌系统生成密钥序列，完成解密过程获取用户数据，同时更新参数寄存模块中的混沌系统状态参数X_i+1。

本发明的有益效果是：

(1)兼容目前的光通信系统，无需修改通信链路即可实现加密；

(2)传统的加密方法多为静态密钥，容易被窃听者识别，实时混沌密钥参数更新，可以增加加密系统安全性，真正的实现“一次一密”；

(3)采用多混沌系统比单一混沌映射，具有更大的密钥空间，加密系统的复杂度更高，仿暴力搜索的能力更强；

(4)使用扩散加密，使密文和明文有紧密的联系，可以有效的抵御差分攻击时；

(5)使用了超混沌Chen系统和超混沌Lorenz系统与采用低维的混沌系统相比，它们具有两个或者两个以上的正的Lyapunov指数，其相轨在更多的方向上分离，输出会更加难以预测，经过超混沌序列加密后的信息更难被破译。

附图说明

图1为本发明中的三维加密流程框图；

图2为本发明中的实时更新的混沌密钥分发系统的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1-2所示，基于实时更新的混沌密钥分发的三维加密OFDM光系统，包括三维加密、多混沌系统混合加密和实时混沌密钥分发，三维加密包括第一维加密，第二维加密和第三维加密，第一维加密为单向扩散，第二维加密为IQ加密，第三维加密为时频二维置乱；

(1)三维加密过程：

第一维加密(单向扩散)：

原始二进制比特流根据OFDM子载波数进行串并转换后，再进行扩散加密。

每行数据长度为L，首先将长度为L原始二进制数据以t＝8比特为一单位转化十进制数据流记为P，目的是提高系统处理数据的效率，有效地进行扩散(其中，P的长度为

)。

第一步：超混沌Chen系统的系统方程：

式中：a,b,c,d,r为参数，加密系统选取参数a＝35,b＝3,c＝12,d＝7,r＝0.5时，系统初始值为x₁₀,y₁₀,z₁₀,u₁₀，

釆用超混沌Chen系统产生4个长度为

的超混沌序列x,y,z,u，其中，N₀,N₁为固定值，将这4个混沌序列去掉前N₀个暂态数据，合并成一个长度为

的混沌序列W＝{x,y,z,u}，设定两个值m和n，其中Max(m,n)<N₁构建如下两个混沌序列：

由于生成的混沌序列并不适合直接用于加密算法中，所以把S₁,S₂按照下式改造成适合加密的密钥Key₁,Key₂：

Key1(j)＝mod(floor(S1(j)×10¹⁴),2^t)

Key2(j)＝mod(floor(S2(j)×10¹⁴),2^t)

其中，S1(j)表示序列S1的第j个数值，S2(j)表示序列S2的第j个数值；

第二步：先用Key₁将每一行的数据流P置乱，方法如下：

每行的十进制数据P长度为

将Key₁序列的数据按从小到大的顺序进行排列，记录每个数据的改变的索引过程，数据流P的长度和Key₁的长度一致，数据流P按照其在Key₁对应的数据改变的索引过程进行位置置换。

行数据流P置乱后的数据记为C₁,再用Key₂按照下式对C₁进行加密，得到加密数据C₂：

设定C₂(0)存在且为常数100，

表示比特异或。

第三步：得到加密数据C2后，重复第二步的过程，即先使用Key1进行置乱，再使用Key2对C2置乱后的数据进行如对C1加密一样的操作，得到最终的加密数据C3，再将数据C3转化为二进制数据。

第二步过程完成了OFDM加密系统中的一行数据加密，在加密系统的单向扩散过程中，将逐行按照第二步操作进行。

上述过程实现密钥1的第一维加密，密钥1的参数为超混沌Chen系统的初始参数x₁₀,y₁₀,z₁₀,u₁₀。

第二维加密(IQ加密)：

每行数据进行单向扩散加密后可以有效地抵抗差分攻击，QAM映射之后，通过logistic混沌系统对其IQ加密。

logistic混沌系统系统方程：

x_k+1＝μx_k(1-x_k),x_k∈(0,1)

μ∈[0,4]被称为Logistic参数，logistic混沌的初始值为x₂₀(与超混沌Chen系统的x₁₀取值不同)。

采用logistic混沌系统产生x混沌序列(去掉暂态)，其中x序列的长度数据长度为QAM映射后数据长度，对其进行预处理，得到X：

X(i)＝sign(mod(fix(x(i)×10¹⁴),256)-128)

数据X的取值为1，0，-1。

数据X分为相同长度的{R_i},{I_i}序列，对QAM映射后的数据进行IQ加密，例如QAM映射的一个数据记为S_i(S_i为复数)，对其进行IQ加密得到C_i的表达式如下：

C_i＝Re(S_i)·R_i+j·Im(S_i)·I_i

每一对R_i和I_i对一个S_i进行加密，直到全部QAM映射后的数据都加密完成。

上述过程得到密钥2，密钥2的参数为logistic混沌系统的参数μ和x₂₀。

第三维加密(时频二维置乱)：

对数据进行IQ加密后，得到时频二维矩阵，再使用超混沌lorenz系统对其进行置乱。

上式中a,b,c,d为常实数，取a＝10,b＝8/3,c＝28,d＝5。系统初始值为x₀,y₀,z₀,u₀。

使用超混沌Lorenz系统产生四个混沌序列x,y,z,u。将这四个混沌序列合并成一个序列K＝{x,y,z,u}。若时频二维矩阵大小为M×N，即时域每行QAM符号为N个，频域为M个(子载波个数为M)，以频域置乱为例：

对第一列数据置乱，从混沌序列K中取出前M个数据，对这M个数据按从小到大的顺序进行排列，记录每个数据的改变的索引过程，再把第一列对应M个数的数据按照其索引变化进行位置置乱；第二列数据置乱，取混沌序列K中的下一组数据(M+1,…,2M)，重复操作完成频域置乱，同样按照OFDM帧的频域置乱的方式完成时域置乱，得到密钥3，密钥3的参数为超混沌Lorenz系统的初始参数x₃₀,y₃₀,z₃₀,u₃₀。

密钥1，密钥2,和密钥3的初始参数是不同的。

(2)多混沌系统混合加密、实时混沌密钥分发：

基于实时更新的混沌密钥分发，在该密钥分发方法中，发送方和接收方之间首先约定了使用混沌系统方程类型，除密钥参数是实时产生的，收发双方都可以同时获取，且对第三方保密。实时产生密钥参数的方法是根据光通信系统的互易性以及信道参数随机变化产生的。

发送端(Alice)和接收端(Bob)各自同时向彼此的终端发射连续激光束，分别测量其接收到的光强。他们使用相同的发射端和接收端，并且在相同的光通道中传输。它们各自测量的光强会产生随机波动的原因为光束通过的水通道的折射率的随机变化，折射率的随机变化是水流波动，温度和压强变化等因素引起实时变化。发送端(Alice)和接收端(Bob)测量光强几乎相同，具有极强的相关性，这是因为他们的各自光束在相干时间内同时通过相同体积的水体。信道具有互易性，收发双方在短时间内，观察到的信道特征函数是一样的，收发双方可以用链路的信道状态信息(随机变化的光强)作为动态密钥参数进行传输。

收发双方检测到的光强，以其接收到的光强的中值为阈值，对光强数据进行划分转化为“0”或“1”，实现密钥参数的数值化，根据需求可以把二进制转化为十进制数。Alice和Bob都存储了各自检测到的数值化光强I参数，这样收发双方都有了加密和解密所需的密钥参数。在进行第i次数据传输之前，发送方根据X_i完成混沌系统状态参数设置：

X_i＝{x₁₀,y₁₀,z₁₀,u₁₀,μ,x₂₀,x₃₀,y₃₀,z₃₀,u₃₀}

然后利用其控制混沌系统生成密钥序列，对发送数据进行加密，发送给接收方；同时，发送方根据约定的状态参数生成方式(检测到的光强)，产生下一次通信所需的混沌系统状态参数X_i+1,并将其存储。

接收方接收到数据后，首先利用已有的混沌系统状态参数X_i，控制混沌系统生成密钥序列，完成解密过程获取用户数据，同时更新参数寄存模块中的混沌系统状态参数X_i+1。

通过实时更新密钥的方法，任意两次通信过程中，用于控制密钥产生的初始状态参数均不一致，由此得到的密钥序列以及加密处理后的输出通常也不相同，可以极大提升数据传输的安全性。

以上对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.基于实时更新的混沌密钥分发的三维加密OFDM光系统，其特征在于：包括三维加密、多混沌系统混合加密和实时混沌密钥分发，所述三维加密包括第一维加密，第二维加密和第三维加密，所述第一维加密为单向扩散，所述第二维加密为IQ加密，所述第三维加密为时频二维置乱：

所述第一维加密的过程为原始二进制比特流根据OFDM子载波数进行串并转换后，再进行扩散加密，每行数据长度为L，首先将长度为L原始二进制数据以t＝8比特为一单位转化十进制数据流记为P，具体包括以下步骤：

第一步：超混沌Chen系统的系统方程：

式中：a，b，c，d，r为参数，加密系统选取参数a＝35，b＝3，c＝12，d＝7，r＝0.5时，系统初始值为x₁₀，y₁₀，z₁₀，u₁₀；

采用超混沌Chen系统产生4个长度为

的超混沌序列x，y，z，u，其中，N₀，N₁为固定值，将这4个混沌序列去掉前N₀个暂态数据，合并成一个长度为

的混沌序列W＝{x，y，z，u}，设定两个值m和n，其中Max(m，n)＜N₁构建如下两个混沌序列：

由于生成的混沌序列并不适合直接用于加密算法中，所以把S₁，S₂按照下式改造成适合加密的密钥Key₁，Key₂：

Key1(j)＝mod(floor(S1(j)×10¹⁴)，2^t)

Key2(j)＝mod(floor(S2(j)×10¹⁴)，2^t)

其中，S1(j)表示序列S1的第j个数值，S2(j)表示序列S2的第j个数值；

第二步：先用Key₁将每一行的数据流P置乱，方法如下：

每行的十进制数据P长度为

将Key₁序列的数据按从小到大的顺序进行排列，记录每个数据的改变的索引过程，数据流P的长度和Key₁的长度一致，数据流P按照其在Key₁对应的数据改变的索引过程进行位置置换；

行数据流P置乱后的数据记为C₁，再用Key₂按照下式对C₁进行加密，得到加密数据C₂：

设定C₂(0)存在且为常数100，

表示比特异或；

第三步：得到加密数据C2后，重复第二步的过程，即先使用Key1进行置乱，再使用Key2对C2置乱后的数据进行如对C1加密一样的操作，得到最终的加密数据C₃，再将数据C₃转化为二进制数据；

第二步过程完成了OFDM加密系统中的一行数据加密，在加密系统的单向扩散过程中，将逐行按照第二步过程操作进行，实现密钥1的第一维加密，密钥1的参数为超混沌Chen系统的初始参数x₁₀，y₁₀，z₁₀，u₁₀；

所述第二维加密的过程为对密钥1进行QAM映射之后，通过logistic混沌系统对其IQ加密；

logistic混沌系统系统方程：

x_k+1＝μx_k(1-x_k)，x_k∈(0，1)

μ∈[0，4]被称为Logistic参数，logistic混沌的初始值为x₂₀；

采用logistic混沌系统产生x混沌序列，其中x序列的数据长度为OFDM输入数据进行QAM映射后的符号数据的个数，对其进行预处理，得到X：

X(i)＝sign(mod(fix(x(i)×1014)，256)-128)

数据X的取值为1，0，-1；

数据X分为相同长度的{R_i}，{I_i}序列，对QAM映射后的数据进行IQ加密，得到时频二维矩阵，且形成密钥2，所述密钥2的参数为logistic混沌系统的参数μ和x₂₀；

所述第三维加密的过程为对密钥2使用超混沌lorenz系统对其进行置乱；

上式中a，b，c，d为常实数，取a＝10，b＝8/3，c＝28，d＝5，系统初始值为x₃₀，y₃₀，z₃₀，u₃₀；

OFDM帧数据在进行变换前，以时频二维矩阵形式存在，矩阵中不同行表示不同频率，不同列表示不同时间；使用超混沌Lorenz系统产生四个混沌序列x，y，z，u，将这四个混沌序列合并成一个序列K＝{x，y，z，u}；使用序列K的数据填入具有时频二维矩阵相同大小的矩阵中，对由序列K生成的矩阵的每一列数据按照从小到大的顺序进行排列，并记录每个数据改变的索引过程，再把OFDM帧的时频二维矩阵的每一列对应的数据按照其索引变化进行位置置乱，完成频域置乱，同样地对时频二维矩阵的列位置置乱完成时域置乱，形成密钥3，所述密钥3的参数为超混沌Lorenz系统的初始参数x₃₀，y₃₀，z₃₀，u₃₀；

所述密钥1，密钥2，和密钥3的初始参数是不同的；

所述多混沌系统混合加密和所述实时混沌密钥分发的具体过程为：

基于实时更新的混沌密钥分发，在该密钥分发方法中，发送方和接收方之间先约定使用混沌系统方程类型，除密钥参数是实时产生的，发送方和接收方同时获取，且对第三方保密，实时产生密钥参数的方法是根据光通信系统的互易性以及信道参数随机变化产生的；

发送端和接收端各自同时向彼此的终端发射连续激光束，分别测量其接收到的光强，各自测量的光强会产生随机波动的原因为光束通过的水通道的折射率的随机变化，收发双方用链路的信道状态信息作为动态密钥参数进行传输；

收发双方检测到的光强，以其接收到的光强的中值为阈值，对光强数据进行划分转化为“0”或“1”，实现密钥参数的数值化，根据需求可以把二进制转化为十进制数，发送端和接收端都存储了各自检测到的数值化光强I参数，这样收发双方都有了加密和解密所需的密钥参数，在进行第i次数据传输之前，发送方根据X_i完成混沌系统状态参数设置：

X_i＝{x₁₀，y₁₀，z₁₀，u₁₀，μ，x₂₀，x₃₀，y₃₀，z₃₀，u₃₀}

然后利用其控制混沌系统生成密钥序列，对发送数据进行加密，发送给接收方；同时，发送方根据约定的状态参数生成方式，产生下一次通信所需的混沌系统状态参数X_i+1，并将其存储；

接收方接收到数据后，首先利用已有的混沌系统状态参数X_i，控制混沌系统生成密钥序列，完成解密过程获取用户数据，同时更新参数寄存模块中的混沌系统状态参数X_i+1。

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