CN111786771B - 一种偏振、相位和模式动态扰动方法 - Google Patents

一种偏振、相位和模式动态扰动方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种偏振、相位和模式动态扰动方法，属于通信技术领域，基于结合蔡氏多涡卷混沌系统和Logistic混沌系统，采用不同的置乱参数分别对通信系统中的偏振、相位、模式分别进行置乱加密，在接收端用置乱向量生成解密序列进行解密；由于蔡氏多涡卷系统的吸引因子和子载波的可独立操作性，该通信系统可以获得较大的安全密钥空间；该方法具有良好的抗非法接收性能，极大地提升了用户通信的安全性，并且为未来的光多载波的发展指明了一条潜在的道路。

Description

一种偏振、相位和模式动态扰动方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种偏振、相位和模式动态扰动方法。
背景技术
光纤通信已经成为网络信息的重要物理载体和骨干基础设施，超过90%的网络流量都是通过光纤传输和传送的。
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。然而在海底和陆地光缆以及用户接入光纤等场景中，网络信息都存在被窃听的风险。因此非常有必要对光纤中的高速光信号进行加密传输。在提出的各种安全技术中，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。而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。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。
混沌控制和混沌同步理论的提出大大拓宽了混沌的应用，例如混沌光通信、随机数产生和安全密钥分配等。混沌保密通信是一种基于物理层的硬件加密。它主要基于混沌信号所具有的遍历性、非周期、连续宽带频谱、类噪声等特性，将传输信号隐藏在混沌信号中，在接收端利用混沌同步特性或者混沌波形的特征解调出所传输的信息。光通信混沌系统具有高带宽和低衰减，且动力学系统比较复杂，系统对参数具有极高的敏感性，具有更高的保密性能，非常适合高速远程保密通信。混沌光通信作为一种物理安全技术，有可能成为光纤网络的物理层安全屏障。
混沌系统对初始条件非常敏感，使它们难以预测，具有在数据传输中提供高级别隐私的潜力。因此，混沌光通信再实现物理层安全方面引起了很多关注，并且已经通过许多混沌光通信实验得到证明。蔡氏多涡卷混沌系统与传统混沌系统相比，对应着更高维的空间，有着更复杂的轨迹，将其应用至保密通信中，加密性能得到很好的提高。蔡氏多涡卷系统是一种有着极其丰富混沌现象的系统。在实际应用中，多涡卷蔡氏模型可以简单地由非线性电路实现，但具有丰富的混沌动力学特性。它表现出具有多涡卷吸引子的超混沌行为，增加了混沌映射的非线性复杂度。
为了进一步增强混沌保密光通信的安全性，增加混沌复杂度是一种行之有效的方法，将低维单混沌系统进行改进，增加其可变参数，增强混沌特性可以获得更大的密钥空间，能有效抵御穷举攻击。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种偏振、相位和模式动态扰动方法，基于结合蔡氏多涡卷混沌系统和Logistic混沌系统，采用不同的置乱参数分别对通信系统中的偏振、相位、模式分别进行置乱加密，在接收端用置乱向量生成解密序列进行解密；由于蔡氏多涡卷系统的吸引因子和子载波的可独立操作性，该通信系统可以获得较大的安全密钥空间；该方法具有良好的抗非法接收性能，极大地提升了用户通信的安全性，并且为未来的光多载波的发展指明了一条潜在的道路。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种偏振、相位和模式动态扰动方法，包括如下步骤：
1）首先将来自用户的比特数据流进行正交幅度调制（QAM）由比特数据映射为符号数据；
2）然后利用蔡氏多涡卷混沌系统和Logistic混沌系统联合得出置乱向量；
3）利用步骤2）中的置乱向量对步骤1）中符号数据的偏振、相位和模式进行混沌置乱实现数据加密，置乱过程分为子载波内和子载波间置乱；
4）将通过步骤3）加密后的符号数据映射到各自的子载波上，之后使用IFFT实现OFDM调制；此时完成了OFDM符号的加密映射；
5）将步骤4）中加密的OFDM符号通过电光转换调制到模式被置乱的光信号上；再通过光纤链路后传入接收端，此时完成了加密信号的传输；
6）在接收端，首先对通过步骤5）传输的加密信息模式进行重组解密，再通过光电转换将光信号转换为电信号；
7）在OFDM符号解映射单元，对步骤6）转化的电信号利用偏振和相位置换向量进行解密，此时正确地提取符号并解映射；
8）通过并串变换对步骤7）解映射后的信号进行处理恢复出原始数据。
进一步地，所述的蔡氏多涡卷混沌系统定义如下：
Figure 176602DEST_PATH_IMAGE001
（1）；
其中，f（x）函数为：
Figure 225898DEST_PATH_IMAGE002
（2）；
式中参数x，y，z，t是变量，取值区间为(0,1)，k=1,2,3……6；当常量参数α,β,δ,ε设置为
Figure 208898DEST_PATH_IMAGE003
时，系统处于混沌状态。Logistic混沌系统生成密钥h i+1 （为简便起见，下文记为h）：
Figure 869686DEST_PATH_IMAGE004
（3）；
通过公式（1）-（3）得到原始的x, y, z, h不同的混沌序列，具有三个参数的混沌序列x, y, z用来生成置乱向量，其中μ为Logistic映射的控制参数。
进一步地，所述的x, y用于子载波内置乱，z用于子载波间置乱，h用于模式间置乱；将x, y, h进行如下预处理后可得到
Figure 887321DEST_PATH_IMAGE005
序列，其中
Figure 850729DEST_PATH_IMAGE005
是将序列x, y, h进行运算后得到的序列，将序列
Figure 648921DEST_PATH_IMAGE005
应用于步骤2）中计算得到置乱向量：
Figure 51083DEST_PATH_IMAGE006
（4）；
Figure 657645DEST_PATH_IMAGE007
（5）；
Figure 57533DEST_PATH_IMAGE008
（6）；
通过如下操作可得到置乱后的模式置乱密钥序列l：
Figure 77442DEST_PATH_IMAGE009
（7）；
式中，函数
Figure 17716DEST_PATH_IMAGE010
为将序列
Figure 679117DEST_PATH_IMAGE011
和序列
Figure 312224DEST_PATH_IMAGE012
进行比特位异或操作。
进一步地，步骤3）中，包括如下步骤：
3.1）将庞加莱球的极化状态用于子载波内置乱，使用蔡氏多涡卷系统生成置乱向量，置乱过程如下：
对第个子载波上的星座和Stokes矢量进行置乱，使用庞加莱球的极化状态（SOP）来表示4D空间调制置乱的原理，六个Stokes矢量(SOP1、SOP2、SOP3、SOP4、SOP5、SOP6)是正交的，每个SOP有一个复IQ平面，有四个点映射；置乱在子载波内部执行；假设是第个子载波上第个Stokes向量符号，对第个子载波上的星座和Stokes矢量进行置乱，步骤3.1）中的置乱过程表示为：
Figure 819429DEST_PATH_IMAGE013
（8）；
其中
Figure 501077DEST_PATH_IMAGE014
和分别为星座和斯托克斯置乱向量，表示将进行转置，为在步骤 3.1）中置乱后的信号，
Figure 693975DEST_PATH_IMAGE014
由下式表示：
Figure 598477DEST_PATH_IMAGE018
（9）；
式中Nx为随机整数。元素
Figure 901282DEST_PATH_IMAGE015
表示为：
Figure 55183DEST_PATH_IMAGE019
（10）；
其中，函数sort（）表示根据y的混沌序列生成的序号。使用y的小数部分生成元素
Figure 344213DEST_PATH_IMAGE015
，增加元素
Figure 227855DEST_PATH_IMAGE015
序列的随机性。实际上，星座置乱是对原星座分布的随机干扰，复IQ平面内的星座一般可以是QAM星座。
3.2）采用OFDM多载波格式实现子载波间的置乱，使用置乱向量H对不同的子载波进行置乱。
进一步地，步骤3.2）中，所述的子载波间的置乱是Stokes置乱，采用OFDM多载波格式实现子载波间置乱，考虑六个子载波间置乱；由于置乱过程是在不同子载波的6个偏振态(state of polarization, SOP)上实现的，因此用于步骤3.2）中的子载波间置乱向量H表示为：
Figure 314279DEST_PATH_IMAGE020
（12）；
其中H1 k,m和H2 n,n是两个大小分别为6×6和N×N的矩阵；矩阵元素的值使用公式（5）和（6）套用｛z｝的序列得出；置乱后的加密信号如公式（13）所示，此时完成了信号中子载波的加密；通过步骤3.2）置乱后的加密信号表示为：
Figure 283372DEST_PATH_IMAGE021
（13）；
其中fn为第n个子载波的中心频率，j为虚数单位，t为系统中的时间向量，k=1,2,3……6；T为周期；在接收端，将与发送端相同的初始值套用公式（8）-（13）应用反向操作，正确地重新生成安全密钥，来解密得到正确的信息。
本发明首先将来自用户的比特数据流进行正交幅度调制（QAM）符号映射，然后利用蔡氏多涡卷混沌系统和Logistic混沌系统联合得出的置乱向量分别对信号的偏振、相位和模式进行混沌置乱实现数据加密；加密完成后，用户的数据分别映射到各自的子载波上，并利用IFFT实现OFDM调制；具体做法为先对电信号的偏振和相位混合域进行置乱，再将信号调制到光载波上后进行模式置乱，由少模光纤（few mode fiber, FMF）进行传输。到达接收端后先利用密钥对模式进行解密重组，之后利用FFT实现OFDM解调。解调信号先进行子载波提取分离各个用户的数据，然后依次进行对于偏振和相位的混沌解扰，实现数据解密重组，最后发送给各个用户。
有益效果：与现有技术相比，本发明的一种偏振、相位和模式动态扰动方法，是一种结合蔡氏多涡卷混沌系统和Logistic混沌系统针对OFDM的物理层安全，提出偏振、相位和模式的动态扰动加密方案，与传统加密方式不同，该方案将蔡氏多涡卷混沌算法和Logistic混沌算法进行组合使用，来产生不同密钥序列，增大了密钥源复杂性以及系统的加密性能，且易于实现，是作为未来多载波高安全光传输系统的有效方案。
附图说明
图1是基于偏振、相位和模式动态扰动方法系统模型图；
图2是第n个子载波上的星座和Stokes矢量置乱示意图；
图3是不同子载波间的Stokes置乱示意图；
图4是偏振和相位置乱示意图；
图5是模式置乱示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明做进一步的说明。
如图1所示，一种偏振、相位和模式动态扰动方法的系统模型包括数据加密单元、密钥生成单元组成以及数据解密单元。数据加密单元将信息加密后通过少模光纤传输进数据解密单元进行解密重组；密钥生成单元生成置乱向量。
一种偏振、相位和模式动态扰动方法，包括如下步骤：
1）首先将来自用户的比特数据流进行正交幅度调制（QAM）由比特数据映射为符号数据；
2）然后利用蔡氏多涡卷混沌系统（公式（1）、（2））和Logistic混沌系统（公式（3））联合得出置乱向量，计算方法为公式（4）-（7）；
3）利用步骤2）中的符号数据对步骤1）中符号数据的偏振、相位和模式进行混沌置乱实现数据加密，置乱过程分为子载波内和子载波间置乱；
3.1）将庞加莱球的极化状态用于子载波内置乱，使用蔡氏多涡卷系统（公式（1）、（2））生成置乱向量，置乱过程如公式（8）所示，其中具体计算方式为公式（9）-（11）；
3.2）采用OFDM多载波格式实现子载波间的置乱，使用置乱向量H（公式（12））对不同的子载波进行置乱；置乱后的加密信号如公式（13）所示，此时完成了信号中子载波的加密；
4）将通过步骤3）加密后的符号数据映射到各自的子载波上，之后使用IFFT实现OFDM调制；此时完成了OFDM符号的加密映射；
5）将步骤4）中加密的OFDM符号通过电光转换调制到模式被置乱的光信号上；再通过光纤链路后传入接收端，此时完成了加密信号的传输；
6）在接收端，首先对通过步骤5）传输的加密信息模式进行重组解密，再通过光电转换将光信号转换为电信号；
7）在OFDM符号解映射单元，对步骤6）转化的电信号利用偏振和相位置换向量进行解密，此时可以正确地提取符号并解映射；
8）通过并串变换对步骤7）解映射后的信号进行处理恢复出原始数据。
密钥生成单元
对偏振、相位和模式结合蔡氏多涡卷混沌系统和Logistic混沌系统来产生混沌序列，应用于步骤2）得出后文中的置乱向量，其中蔡氏多涡卷系统定义如下：
Figure 907251DEST_PATH_IMAGE001
（1）；
其中，f（x）函数为：
Figure 520766DEST_PATH_IMAGE002
（2）；
式中参数x，y，z，t是变量，取值区间为(0,1)，k=1,2,3……6；当常量参数α,β,δ,ε设置为
Figure 837478DEST_PATH_IMAGE003
时，系统处于混沌状态。Logistic混沌系统生成密钥h i+1 （为简便起见，下文记为h）：
Figure 28288DEST_PATH_IMAGE004
（3）；
通过公式（1）-（3）可以得到原始的x, y, z, h不同的混沌序列，具有三个参数的混沌序列x, y, z可以用来生成置乱向量。在本专利中，x, y用于子载波内置乱，z用于子载波间置乱，h用于模式间置乱，其中μ为Logistic映射的控制参数。将x, y, h进行如下预处理后可得到
Figure 455858DEST_PATH_IMAGE005
序列,其中是将序列x, y, h进行运算后得到的序列
Figure 658301DEST_PATH_IMAGE005
，将序列
Figure 145914DEST_PATH_IMAGE005
应用于步骤2）中计算得到置乱向量：
Figure 230544DEST_PATH_IMAGE006
（4）；
Figure 458876DEST_PATH_IMAGE007
（5）；
Figure 171617DEST_PATH_IMAGE008
（6）；
通过如下操作可得到置乱后的模式置乱密钥序列l：
Figure 502235DEST_PATH_IMAGE009
（7）；
式中，函数
Figure 933217DEST_PATH_IMAGE010
为将序列
Figure 702590DEST_PATH_IMAGE011
和序列
Figure 410783DEST_PATH_IMAGE012
进行比特位异或操作。
子载波内置乱
如图2所示，是对第n个子载波上的星座和Stokes矢量进行置乱。
使用庞加莱球的极化状态（SOP）来表示4D空间调制置乱的原理，六个Stokes矢量(SOP1、SOP2、SOP3、SOP4、SOP5、SOP6)是正交的，每个SOP有一个复IQ平面，有四个点映射。置乱在子载波内部执行。采用蔡氏多涡卷混沌系统（公式（1）、公式（2））作为模型，生成置乱向量。IQ1,IQ2,IQ3,IQ4,IQ5,IQ6是6个不同的复IQ平面。
假设Sk,n是第n个子载波上第k个Stokes向量符号，对第n个子载波上的星座和Stokes矢量进行置乱，步骤3.1）中的置乱过程可以表示为：
Figure 302515DEST_PATH_IMAGE022
（8）；
其中
Figure 830580DEST_PATH_IMAGE014
和分别为星座和斯托克斯置乱向量，表示将进行转置，S'k,n为在步 骤3.1）中置乱后的信号，
Figure 168971DEST_PATH_IMAGE014
由下式表示：
Figure 748988DEST_PATH_IMAGE018
（9）；
式中Nx为随机整数。元素
Figure 290828DEST_PATH_IMAGE015
表示为：
Figure 414378DEST_PATH_IMAGE019
（10）；
其中，
Figure 41668DEST_PATH_IMAGE023
（11）；
函数sort（）表示根据y的混沌序列生成的序号。使用y的小数部分生成元素
Figure 956535DEST_PATH_IMAGE015
，增加元素
Figure 228247DEST_PATH_IMAGE015
序列的随机性。实际上，星座置乱是对原星座分布的随机干扰，复IQ平面内的星座一般可以是QAM星座。
子载波间置乱
如图3为子载波间进行的Stokes置乱：
在本专利中，采用OFDM多载波格式实现子载波间置乱，主要考虑六个子载波间置乱。由于置乱过程是在不同子载波的6个偏振态(state of polarization, SOP)上实现的，因此用于步骤3.2）中的子载波间置乱向量H表示为：
Figure 898263DEST_PATH_IMAGE020
（12）；
其中H1 k,m和H2 n,n是两个大小分别为6×6和N×N的矩阵。矩阵元素的值可以使用公式（5）和（6）套用｛z｝的序列得出。通过步骤3.2）置乱后的加密信号s'（t）可以表示为：
Figure 622636DEST_PATH_IMAGE024
（13）；
其中fn为第n个子载波的中心频率，j为虚数单位，t为系统中的时间向量，k=1,2,3……6，T为周期。在接收端，将与发送端相同的初始值套用方程（8）-（13）应用反向操作就可以正确地重新生成安全密钥，来解密得到正确的信息。偏振和相位的置乱如图4所示。
模式置乱
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
Figure 403511DEST_PATH_IMAGE025
的光载波上，将模式置乱向量l与原模式序列进行运算，可得到新的模式序列
Figure 592046DEST_PATH_IMAGE025
，如图5所示；
图5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，使用的蔡氏多涡卷混沌系统和Logistic混沌系统映射作为随机源进一步提高了加密性能和安全性。
接收单元
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，通过公式（1）-（7）的初始值，可以得到偏振、相位与模式置乱密钥序列，进行重组解密。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以作出若干改进和变型，这些改进和变型也应该视为本发明保护范围。

Claims (1)

1.一种偏振、相位和模式动态扰动方法，其特征在于：包括如下步骤：
1）首先将来自用户的比特数据流进行正交幅度调制由比特数据映射为符号数据；
2）然后利用蔡氏多涡卷混沌系统和Logistic混沌系统联合得出置乱向量；
3）利用步骤2）中的置乱向量对步骤1）中符号数据的偏振、相位和模式进行混沌置乱实现数据加密，置乱过程分为子载波内和子载波间置乱；
4）将通过步骤3）加密后的符号数据映射到各自的子载波上，之后使用IFFT实现OFDM调制；此时完成了OFDM符号的加密映射；
5）将步骤4）中加密的OFDM符号通过电光转换调制到模式被置乱的光信号上；再通过光纤链路后传入接收端，此时完成了加密信号的传输；
6）在接收端，首先对通过步骤5）传输的加密信息模式进行重组解密，再通过光电转换将光信号转换为电信号；
7）在OFDM符号解映射单元，对步骤6）转化的电信号利用偏振和相位置换向量进行解密，此时正确地提取符号并解映射；
8）通过并串变换对步骤7）解映射后的信号进行处理恢复出原始数据；
所述的蔡氏多涡卷混沌系统定义如下：
Figure 324168DEST_PATH_IMAGE001
（1）；
其中，函数f（x）为：
Figure 801417DEST_PATH_IMAGE002
（2）；
式中参数x，y，z，t是变量，取值区间为(0,1)，k=1,2,3……6；当常量参数α,β,δ,ε设置为
Figure 385982DEST_PATH_IMAGE003
时，系统处于混沌状态；所述的Logistic混沌系统生成密钥h i+1 ：
Figure 632287DEST_PATH_IMAGE004
（3）；
通过公式（1）-（3）得到原始的x, y, z, h不同的混沌序列，具有三个参数的混沌序列x, y, z用来生成置乱向量；其中μ为Logistic映射的控制参数；
所述的x, y用于子载波内置乱，z用于子载波间置乱，h用于模式间置乱；将x, y, h进行如下预处理后可得到
Figure 644105DEST_PATH_IMAGE005
序列，其中
Figure 343071DEST_PATH_IMAGE005
是将序列x, y, h进行运算后得到的序列，将序列
Figure 731327DEST_PATH_IMAGE005
应用于步骤2）中计算得到置乱向量：
Figure 569489DEST_PATH_IMAGE006
（4）；
Figure 17788DEST_PATH_IMAGE007
（5）；
Figure 469629DEST_PATH_IMAGE008
（6）；
通过如下操作可得到置乱后的模式置乱密钥序列l：
Figure 395996DEST_PATH_IMAGE009
（7）；
式中，函数
Figure 351314DEST_PATH_IMAGE010
为将序列
Figure 970514DEST_PATH_IMAGE011
和序列
Figure 644072DEST_PATH_IMAGE012
进行比特位异或操作；
步骤3）中，包括如下步骤：
3.1）将庞加莱球的极化状态用于子载波内置乱，使用蔡氏多涡卷系统生成置乱向量，置乱过程如下：
对第n个子载波上的星座和Stokes矢量进行置乱，使用庞加莱球的极化状态来表示4D空间调制置乱的原理，六个Stokes矢量，SOP1、SOP2、SOP3、SOP4、SOP5、SOP6，是正交的，每个SOP有一个复IQ平面，有四个点映射；置乱在子载波内部执行；假设Sk,n是第n个子载波上第k个Stokes向量符号，对第n个子载波上的星座和Stokes矢量进行置乱，步骤3.1）中的置乱过程表示为：
Figure 374131DEST_PATH_IMAGE013
（8）；
其中和
Figure 974056DEST_PATH_IMAGE015
分别为星座和斯托克斯置乱向量，
Figure 134910DEST_PATH_IMAGE016
表示将
Figure 403081DEST_PATH_IMAGE017
进行转置，S'k,n为在步骤3.1）中置乱后的信号，由下式表 示：
Figure 293993DEST_PATH_IMAGE018
（9）；
式中Nx为随机整数；元素
Figure 676564DEST_PATH_IMAGE015
表示为：
Figure 748425DEST_PATH_IMAGE019
（10）；
Figure 126317DEST_PATH_IMAGE020
（11）；
其中，函数sort（）表示根据y的混沌序列生成的序号；使用y的小数部分生成元素
Figure 661816DEST_PATH_IMAGE015
，增加元素
Figure 125159DEST_PATH_IMAGE015
序列的随机性；星座置乱是对原星座分布的随机干扰，复IQ平面内的星座是QAM星座；
3.2）采用OFDM多载波格式实现子载波间的置乱，使用置乱向量H对不同的子载波进行置乱；
步骤3.2）中，所述的子载波间的置乱是Stokes置乱，采用OFDM多载波格式实现子载波间置乱，考虑六个子载波间置乱；由于置乱过程是在不同子载波的6个偏振态上实现的，因此用于步骤3.2）中的子载波间置乱向量H表示为：
Figure 610498DEST_PATH_IMAGE021
（12）；
其中H1 k,m和H2 n,n是两个大小分别为6×6和N×N的矩阵；矩阵元素的值使用公式（5）和（6）套用｛z｝的序列得出；置乱后的加密信号如公式（13）所示，此时完成了信号中子载波的加密；通过步骤3.2）置乱后的加密信号s'（t）表示为：
Figure 639634DEST_PATH_IMAGE022
（13）；
其中fn为第n个子载波的中心频率，j为虚数单位，t为系统中的时间向量，T为周期，k=1,2,3……6；在接收端，将与发送端相同的初始值套用公式（8）-（13）应用反向操作，正确地重新生成安全密钥，来解密得到正确的信息。
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