CN111865575B - 一种基于概率整形的信道加密方法和系统 - Google Patents

一种基于概率整形的信道加密方法和系统 Download PDF

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Abstract

一种基于概率整形的信道加密方法和系统，涉及光通信中的信道加密领域，方法包括步骤：S101.光链路两端同时发送测试数据到对端，对端收到所述测试数据后进行回传；S102.光链路两端接收对端回传的测试数据，经过比对计算得到SNR，根据SNR计算对应的整形概率，并生成对应的码字集；S103.光链路两端根据相同的码字集对传输的数据进行概率整形编码和解码；S104.判断是否出现时间到期或信道改变，若是，转入S101；否则进入S103。本发明通过监测信道SNR动态调整链路两端的概率整形编码，提高通信容量的同时也提高了信道安全保密性。

Description

一种基于概率整形的信道加密方法和系统
技术领域
本发明涉及光通信中的信道加密领域，具体来讲涉及一种基于概率整形的信道加密方法和系统。
背景技术
由于光纤难以泄露电磁波也难以被外界干扰，光纤通信自诞生之初被认为有极高的安全性。但随着技术的进步，光纤窃听技术已经逐步发展成熟并被用于海底监听，与此相对应的，国外通信设备公司也研究出光纤加密方法。目前我国在光纤保密通信领域还少有研究，光纤通信安全性面临严重挑战。因此有必要加大光纤加密通信的研究和开发，增加信息安全。
目前国际上流行的保密通信技术主要有以下几类：①虚拟专用网络(VPN)通信技术:VPN通过算法在协议层进行加密，具有使用方便、成本低廉得优点，但是所有基于算法的加密手段都已被证明是可以破解的。目前国际上对非数学的密码理论与技术例如包括信息隐形，量子密码，基于生物特征的识别理论与技术等非常关注，这些非数学的密码加密技术都还不够成熟。②专用网络通信技术:特点是通信链路独享，且成本高。为进一步提高光纤链路的保密性，大量研究集中于基于混沌的光纤信道加密，但这种方法依然难以动态调节。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于概率整形的信道加密方法和系统，通过监测信道SNR(Signal Noise Ratio，信噪比)动态调整链路两端的概率整形编码，提高通信容量的同时也提高了信道安全保密性。
为达到以上目的，一方面，采取一种基于概率整形的信道加密方法，包括步骤：
S101.光链路两端同时发送测试数据到对端，对端收到所述测试数据后进行回传；
S102.光链路两端接收对端回传的测试数据，经过比对计算得到SNR，根据SNR计算对应的整形概率，并生成对应的码字集；
S103.光链路两端根据相同的码字集对传输的数据进行概率整形编码和解码；
S104.判断是否出现时间到期或信道改变，若是，转入S101；否则进入S103。
优选的，所述测试数据选用伪随机数，对端接收到所述测试数据后，不经过纠错环节，恢复出的带噪音和误码的符号直接回传。
优选的，所述光链路两端传输概率整形编码后的数据给对端，对端接收编码后的数据进行处理的过程中，包括纠错环节。
优选的，所述光链路两端基于回传的测试数据获得的SNR采用相同的概率分布，生成相同概率的编码的码字集。
优选的，所述根据码字集将均匀分布的原始比特数据流映射到不同概率分布的符号，对端根据相同的码字集解码。
优选的，所述光链路两端发送和接收测试数据的时间起止点基本一致；
所述光链路两端在步骤S103的数据传输前，留有足够的时间建立码字集。
优选的，步骤S103中经过比对计算得到SNR的方式包括：
光链路两端接收对端回传的测试数据，与原本发送的测试数据进行比对计算，测得测试数据的SNR；
或者，光链路两端接收对端回传的测试数据，与原本发送的测试数据进行比对计算，测得测试数据的BER，根据BER计算得到SNR。
另一方面，本发明一种基于概率整形的信道加密系统，包括位于光链路两端的收发机，所述收发机包括：
测试数据单元，其用于生成随机数作为测试数据，一方面将测试数据输入到概率整形编解码单元，一方面将测试数据发送到SNR测量单元；
SNR测量单元，其用于将光链路返回的测试数据与原始生成的测试数据进行比对计算得到SNR，输出给码字生成单元；
码字生成单元，其用于根据SNR选择合适的整形概率，生成对应的码字集；
概率整形编解码单元，其用于根据码字集将均匀分布的原始比特数据流映射到不同概率分布的符号，输出给发送单元；同时将接收到的概率整形的符号解码成对应的比特流；
发送单元，完成从电信号到光信号的发送处理流程，发送概率整形编码后的符号给对端收发机；
接收单元，用于完成从光信号到电信号的接收处理流程，接收对端收发机发来的光信号，并输出概率整形码的符号给概率整形编解码单元进行解码；
上述系统中，SNR测量单元还用于判断是否出现时间到期或信道改变，若是，发送单元重新发送测试数据；若否，发送单元和接收单元正常工作；
概率整形编解码单元还用于对测试数据进行编码和解码。
优选的，所述接收单元的接收处理流程包括光电转化、模数转换、时钟同步、载波恢复和信道均衡。
优选的，所述发送单元的发送处理流程包括信道滤波整形、数模转换和电光转换。
上述技术方案中的一个具有如下有益效果：
通过使用概率整形提高通信容量的同时也提高了信道安全保密性。一方面，概率整形降低了信号的平均功率，有助于降低光通信系统中的非线性效应，而且概率整形编码后的信号更匹配实际信道特性，由此带来的整形增益使系统容量更接近香农极限。另一方面，由于光链路两端的收发机基于共同获得的信道SNR选择相同的概率整形码字集进行编解码，在光链路中间无法测得全链路的SNR且该SNR持续变化，既实现了动态调整，也无法使用正确的码字窃听或伪造。
附图说明
图1为本发明实施例基于概率整形的信道加密方法流程图；
图2为本发明实施例中光链路两端双向收发时序示意图；
图3为本发明实施例基于概率整形的信道加密系统示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1和图2所示，提供一种基于概率整形的信道加密方法的实施例，具体步骤：
S101.光通信系统中光链路两端同时发送测试数据到对端，对端收到测试数据后进行回传。
S102.光链路两端接收对端回传的测试数据，经过比对计算得到SNR，根据SNR计算对应的整形概率，并生成对应的码字集。
S103.光链路两端根据相同的码字集对传输的数据进行概率整形编码和解码。
S104.判断是否出现时间到期或者信道改变，若是，转入S101；若否，转入S103。
上述步骤S101中，测试数据可以选用伪随机数，测试数据采用与待传输的数据相同的发送和接收流程，不同的是：对端收到测试数据后，无需经过纠错环节，恢复出的带噪音和误码的符号直接回传给本端。
步骤S102中，测试数据经过了光链路两个相反方向的收发过程，返回后与该端原本发送的测试数据进行比对计算，可以通过两种方式得到SNR，一种是测得测试数据的SNR；另一种是测得测试数据的BER，根据BER计算得到SNR。相对于直接测得SNR，测得BER再经过计算得到SNR的过程更加简便；测得的BER或SNR完整反应了整个光路的信道状况。光链路任一端发送测试数据再返回接收，所测得的BER/SNR非常接近，因此基于测得的信道SNR会选择使用相同的概率分布，再生成相同概率的编码的码字集。
步骤S103中，当生成码字集之后，光链路两端可以相互传输概率整形编码后的数据给对端；其中，光链路两端将根据码字集将均匀分布的原始比特数据流映射到不同概率分布的符号，由于对端也采用当前SNR所对应的相同的码字集，可以顺利进行解码。对端接收编码后的数据进行处理的过程中，与待测数据处理过程不同的是，此时传输数据的处理过程包括纠错环节。
步骤S104中，当使用一种码字集持续传输一段时间后，需要更换码字集时；或者，监测到信道改变之后需要调整概率分布以适配信道时；重复上述步骤S101-S103，调整使用新的概率编码进行数据传输。
上述步骤中，光链路两端发送和接收测试数据的时间起止点基本一致，使测得的双向信道状况稳定一致。在步骤S102中，光链路两端在步骤S103的数据传输前，都留有足够的时间建立起码字集。
如图3所示，提供一种基于概率整形的信道加密系统的实施例，包括一对收发机和连接收发机的光纤链路，光链路两端的收发机可以同时相互传输数。一对收发机结构相同，均包括接收单元、发送单元、概率整形编解码单元、码字生成单元、SNR测量单元、测试数据单元和检测单元。
测试数据单元，其用于生成随机数作为测试数据，一方面将测试数据输入到概率整形编解码单元，一方面将测试数据发送到SNR测量单元；
SNR测量单元，其用于将光链路返回的测试数据与原始生成的测试数据进行比对计算得到SNR，输出给码字生成单元；
码字生成单元，其用于根据SNR选择合适的整形概率，生成对应的码字集；
概率整形编解码单元，其用于根据码字集将均匀分布的原始比特数据流映射到不同概率分布的符号，输出给发送单元；同时将接收到的概率整形的符号解码成对应的比特流；
发送单元，完成从电信号到光信号的发送处理流程，发送概率整形编码后的符号给对端收发机；
接收单元，用于完成从光信号到电信号的接收处理流程，接收对端收发机发来的光信号，并输出概率整形码的符号给概率整形编解码单元进行解码；
上述系统中，SNR测量单元还用于判断是否出现时间到期或信道改变，若是，发送单元重新发送测试数据；若否，发送单元和接收单元正常工作；
概率整形编解码单元还用于对测试数据进行编码和解码。
下面结合上述系统详述整个基于概率整形的信道加密流程，具体包括：
本端收发机中，测试数据单元生成随机数作为测试数据，分别输入到概率整形编解码单元和SNR测量单元。
本端收发机的概率整形编解码单元，根据已有的编码集对测试数据编码，并由发送单元将测试数据完成从电信号到光信号的发送处理流程，发送给对端的收发机。
对端收发机的接收单元接收测试数据，并完成从光信号到电信号的接收处理流程，通过对端的概率整形编解码单元进行解码，再将没有经过纠错的测试数据编码后通过对端收发机的发送单元发回给本端收发机。
本端收发机通过接收单元接收测试数据，同样完成从光信号到电信号的接收处理流程后，将测试数据经由本端接收机的概率整形编解码单元进行解码后，发给SNR测量单元。
SNR测量单元将光链路返回的测试数据与测试数据单元原本生成的测试数据进行比对计算，测得BER或SNR，如果是测得BER，需要再进行计算得到SNR，输出SNR给本端接收机的码字生成单元。
码字生成单元根据SNR选择合适的整形概率，生成对应的码字集。
概率整形编解码单元将需要发送的数据根据码字集将均匀分布的原始比特数据流映射到不同概率分布的符号，输出给本端接收机的发送单元。
发送单元完成从电信号到光信号的发送处理流程，将概率整形编码后的符号给对端收发机。
对端收发机接收单元接收光信号，完成从光信号到电信号的接收处理流程，输出概率整形编码的符号给其概率整形编解码单元，并由概率整形编解码单元根据与发端相同的码字集进行解码。
收发机的SNR测量单元还用于在数据传输的过程中，判断是否出现时间到期或信道改变，若是，发送单元重新发送测试数据，各单元重复上述过程；若否，发送单元和接收单元保持正常传输数据。
在其他实施例中，光链路两端发送测试数据时，也可以不经过编解码，直接向对端发送。
上述接收单元的接收处理流程包括：光电转化、模数转换、时钟同步、载波恢复和信道均衡等，在处理测试数据时，不对其进行纠错；在处理传输数据时，需要进行纠错。
上述发送单元的发送处理流程包括：信道滤波整形、数模转换和电光转换等。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于概率整形的信道加密方法，其特征在于，包括步骤：
S101.光链路两端同时发送测试数据到对端，对端收到所述测试数据后进行回传；
S102.光链路两端接收对端回传的测试数据，经过比对计算得到SNR，根据SNR计算对应的整形概率，并生成对应的码字集；
S103.光链路两端根据相同的码字集对传输的数据进行概率整形编码和解码；
S104.判断是否出现时间到期或信道改变，若是，转入S101；否则进入S103；
所述光链路两端基于回传的测试数据获得的SNR采用相同的概率分布，生成相同概率的编码的码字集；
所述根据码字集将均匀分布的原始比特数据流映射到不同概率分布的符号，对端根据相同的码字集解码；
步骤S103中经过比对计算得到SNR的方式包括：
光链路两端接收对端回传的测试数据，与原本发送的测试数据进行比对计算，测得测试数据的SNR；
或者，光链路两端接收对端回传的测试数据，与原本发送的测试数据进行比对计算，测得测试数据的BER，根据BER计算得到SNR。
2.如权利要求1所述的基于概率整形的信道加密方法，其特征在于：所述测试数据选用伪随机数，对端接收到所述测试数据后，不经过纠错环节，恢复出的带噪音和误码的符号直接回传。
3.如权利要求2所述的基于概率整形的信道加密方法，其特征在于：所述光链路两端传输概率整形编码后的数据给对端，对端接收编码后的数据进行处理的过程中，包括纠错环节。
4.如权利要求1所述的基于概率整形的信道加密方法，其特征在于：所述光链路两端发送和接收测试数据的时间起止点基本一致；
所述光链路两端在步骤S103的数据传输前，留有足够的时间建立码字集。
5.一种基于概率整形的信道加密系统，包括位于光链路两端的收发机，其特征在于，所述收发机包括：
测试数据单元，其用于生成随机数作为测试数据，一方面将测试数据输入到概率整形编解码单元，一方面将测试数据发送到SNR测量单元；
SNR测量单元，其用于将光链路返回的测试数据与原始生成的测试数据进行比对计算得到SNR，输出给码字生成单元；
码字生成单元，其用于根据SNR选择合适的整形概率，生成对应的码字集；
概率整形编解码单元，其用于根据码字集将均匀分布的原始比特数据流映射到不同概率分布的符号，输出给发送单元；同时将接收到的概率整形的符号解码成对应的比特流；
发送单元，完成从电信号到光信号的发送处理流程，发送概率整形编码后的符号给对端收发机；
接收单元，用于完成从光信号到电信号的接收处理流程，接收对端收发机发来的光信号，并输出概率整形码的符号给概率整形编解码单元进行解码；
上述系统中，SNR测量单元还用于判断是否出现时间到期或信道改变，若是，发送单元重新发送测试数据；若否，发送单元和接收单元正常工作；
概率整形编解码单元还用于对测试数据进行编码和解码；
所述光链路两端基于回传的测试数据获得的SNR采用相同的概率分布，生成相同概率的编码的码字集；
所述根据码字集将均匀分布的原始比特数据流映射到不同概率分布的符号，对端根据相同的码字集解码；
比对计算得到SNR的方式包括：
光链路两端接收对端回传的测试数据，与原本发送的测试数据进行比对计算，测得测试数据的SNR；
或者，光链路两端接收对端回传的测试数据，与原本发送的测试数据进行比对计算，测得测试数据的BER，根据BER计算得到SNR。
6.如权利要求5所述的基于概率整形的信道加密系统，其特征在于：所述接收单元的接收处理流程包括光电转化、模数转换、时钟同步、载波恢复和信道均衡。
7.如权利要求6所述的基于概率整形的信道加密系统，其特征在于：所述发送单元的发送处理流程包括信道滤波整形、数模转换和电光转换。
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