CN111934812B - 通信网络物理层信号加密、解密方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通信技术领域，特别涉及通信网络物理层信号加密、解密方法，所述加密方法包括如下步骤：S11、产生多层ACO‑OFDM系统每层的信号，然后对各层信号分别加密；S12、把加密后的信号分别调制到多层ACO‑OFDM系统的各层子载波上；S13、对加密后的信号进行剪裁操作后再叠加，生成多层ACO‑OFDM加密信号。本发明不但能解决光通信中传统ACO‑OFDM频谱效率低的问题，而且利用多层ACO‑OFDM系统的特性，实现了多级别加密，很好地提高了物理层信息的安全性。

Description

通信网络物理层信号加密、解密方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别涉及通信网络物理层信号加密、解密方法。
背景技术
在频谱资源有限的条件下，我们需要考虑光通信的频谱效率。传统ACO-OFDM(全称为asymmetrically clipped optical-orthogonal frequency division multiplexing)已经在光通信系统中得到应用。在ACO-OFDM系统中，有用的数据在奇数子载波上传输，而剪裁噪声落在偶数子载波上。ACO-OFDM只利用了一半数目的子载波调制信号，使光通信系统的频谱效率大大降低。多层ACO-OFDM，用多个层同时传输数据，解决了ACO-OFDM频谱效率低的问题。而且，多层ACO-OFDM系统若要恢复第l层的有用数据，需要先去除第l层ACO-OFDM前面所有层的剪裁噪声，只有准确地恢复出第l层ACO-OFDM前面所有层的有用数据，才能得到多层ACO-OFDM第l层的有用数据。
基于多层ACO-OFDM系统的上述特性，本发明主要研究其在保密通信方面的应用。
发明内容
本发明的发明目的在于，提供一种充分利用多层ACO-OFDM系统的特性实现保密通信的方法。
在信息发送端，本发明采取的技术方案如下：一种通信网络物理层信号加密方法，包括以下步骤：
S11、产生多层ACO-OFDM系统每层的信号，然后对各层信号分别加密；
S12、把加密后的信号分别调制到多层ACO-OFDM系统的各层子载波上；
S13、对加密后的信号进行剪裁操作后再叠加，生成多层ACO-OFDM加密信号。
多层ACO-OFDM系统第l层的信息只有在第1至l-1的所有层正确解密后才能正确破解。因此，多层ACO-OFDM系统的更高层具有更高的安全性能。利用多层ACO-OFDM系统的上述特性，可以实现不同安全等级的信号传输。另外，多层ACO-OFDM相比于单层ACO-OFDM，具有更高的频谱效率。
所述加密具体操作为对信号添加混沌密钥，即对洛伦兹偏微分方程进行求解，得到混沌密钥，将信号隐藏在密钥中，从而得到加密后的信号。
混沌加密技术是基于混沌动力学特性发展起来的一种热门的物理层信号安全技术。由于混沌信号的产生对初始条件非常敏感，当初始条件确定时，产生的混沌信号是确定的，相反，初始条件的任何变化，都将引起混沌信号的较大差异。利用混沌的初值敏感性，可以增大解密难度。
步骤S11中，产生多层ACO-OFDM系统每层的信号，指根据多层ACO-OFDM系统每一层数据的长度，将待发送的比特序列调制成PAM或QAM信号。
在信息接收端，本发明采取的技术方案如下：一种通信网络物理层信号解密方法，包括以下步骤：
S21、对接收到的多层ACO-OFDM加密信号的第1层加密信号进行解密，恢复数据；
S22、对第1层ACO-OFDM加密信号进行再生，估计第1层信号的剪裁噪声，再将第2层ACO-OFDM加密信号去除剪裁噪声，解密后得到第2层数据；
S23、对所有ACO-OFDM更高层进行迭代解调，直到检测并解密多层ACO-OFDM所有层的信号。对所有ACO-OFDM更高层进行迭代解调，即对接收到的前面每一层ACO-OFDM信号进行循环再生，估计出每一层的剪裁噪声，在得到更高层数据前将噪声去除，直到检测并解密多层ACO-OFDM所有层的信号。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1)本发明提出了一种基于多层ACO-OFDM系统的通信网络物理层信号加密、解密方法，不但能解决光通信中传统ACO-OFDM频谱效率低的问题，而且利用多层ACO-OFDM系统的特性，实现了多级别加密，很好地提高了物理层信息的安全性；
2)本发明利用混沌密钥对初值的敏感性，增大了密钥的破解难度。
附图说明
图1为基于多层ACO-OFDM系统的信号分层加密结构图；
图2为基于多层ACO-OFDM系统的信号分层解密结构图；
图3是当三层ACO-OFDM系统只有一层未被解密和所有层都被解密时，系统中第3层的误码率性能曲线图；
图4是采用不同混沌方差加密的多层ACO-OFDM第1层误码率性能曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
图1为基于多层ACO-OFDM系统的信号分层加密结构图。其表示的一种通信网络物理层信号加密方法，具体步骤如下：
1)根据多层即L层(L大于等于2)ACO-OFDM系统每一层数据的长度，将待发送的比特序列调制成PAM或QAM信号，也就是产生多层ACO-OFDM系统每层的PAM或QAM信号。
2)产生混沌密钥，即对洛伦兹偏微分方程进行求解，得到混沌密钥，将L层ACO-OFDM每一层的PAM或QAM信号隐藏在密钥中，得到加密后的信号；洛伦兹偏微分方程组可以表示为：
其中σ＝10，γ＝30，β＝8/3；
将L层ACO-OFDM中每一层的PAM或QAM信号隐藏在密钥中，过程如下：
Yl＝Xl+Chaosl
其中Yl为第l(l小于等于L)层ACO-OFDM的加密信号，Xl为第l层的调制信号，Chaosl为第l层的混沌密钥。
3)将加密后的信号分别调制到L层ACO-OFDM系统不同层的子载波上，再对加密信号进行剪裁操作。即把加密信号分别调制到各层子载波上后，对每一层的信号进行一个离散傅里叶逆变换(IDFT)，将IDFT变换后的信号加入循环前缀(cyclic prefix,CP)；
每一层信号IDFT变换为：
其中，xn(n＝0,1,2…N/2l-1-1)为IDFT变换后的信号，N为IDFT点数，k为载波数，l为ACO-OFDM层数。
4)对加密信号进行剪裁后再叠加，从而生成L层ACO-OFDM加密信号以待输出，生成的L层ACO-OFDM加密信号具体为：
其中为第l层ACO-OFDM加密信号。
5)对L层ACO-OFDM加密信号进行发送，接收端将信号接收。
图2为基于多层ACO-OFDM系统的信号分层解密结构图。其表示的一种通信网络物理层信号解密方法，具体步骤如下：
6)对接收到的L层ACO-OFDM加密信号进行判决，将第1层加密信号进行解密，恢复数据，先得到第1层有用信息，具体：
将接收到的加密信号做傅里叶变换(DFT)，得到每一层的信号为：
其中CNoisei为第i层ACO-OFDM信号产生的剪裁噪声；
第1层ACO-OFDM符号无剪裁噪声叠加，去除密钥后可以直接提取有用信息，所述将提取第1层的符号去除密钥表示为：
X1＝Y1-Chaos1。
7)通过得到的第1层有用信息，对加密的第1层ACO-OFDM信号进行再生，估计第1层信号的剪裁噪声，再将第2层ACO-OFDM加密信号去除剪裁噪声，解密后得到第2层数据。
8)对所有ACO-OFDM更高层进行迭代解调，具体过程为对接收到的前面每一层ACO-OFDM信号进行循环再生，估计出每一层的剪裁噪声，在得到更高层数据前将噪声去除，直到检测并解密所有L层信号。
步骤7)、8)具体过程为：对加密的第1层ACO-OFDM信号进行再生，来估计第1层剪裁噪声。通过对输出的第1层比特序列重新调制，对调制后的PAM或QAM符号加密，并经过ACO-OFDM第1层生成器，对剪裁后的信号做DFT，来提取剪裁噪声。第1层的剪裁噪声落在第2k个子载波上，在检测第2层的信号前将其去除；
将第2层ACO-OFDM信号去除剪裁噪声，解密后得到第2层数据为：先从第2k个子载波中提取剪裁噪声，再从多层ACO-OFDM的第2k个子载波上去除剪裁噪声。然后，从第2(2k+1)个子载波检测到第2层的信息，去除密钥得到第2层的有用数据；
所述迭代解调，对于第l层，第2l-1(2k+1)个子载波上的符号被检测并解密。经过解密的符号用于估计落在第2lk个子载波上的剪裁噪声。对所有更高层进行迭代解调，直到检测并解密所有L层信息。
图3是当三层ACO-OFDM系统只有一层未被解密和所有层都被解密时，系统中第3层的误码率性能曲线图。在仿真中，研究了具有三层结构的ACO-OFDM系统，其中每个子载波上采用PAM或QAM调制，ACO-OFDM系统的第3层是最后一层。从这四条曲线可以看到，当所有层解密后，可以恢复第3层ACO-OFDM层的数据。只要有一层没有解密，就无法正确解密最后一层ACO-OFDM数据。上述曲线说明，多层ACO-OFDM系统具有更高的保密性。
图4是采用不同混沌方差加密的多层ACO-OFDM第1层误码率性能曲线图。当混沌方差设置为0时，ACO-OFDM第1层未加密。本仿真采用PAM4调制，PAM4信号的平均功率是5。有效信噪比表达式为：
其中PPAM4为PAM4信号的平均功率，PChaos为混沌密钥的平均功率。当混沌的平均功率设为1时，有效信噪比等于SNR-0.8(dB)。当混沌的平均功率设为4时(混沌的平均功率与密钥方差意思相同)，其有效信噪比等于SNR-2.6(dB)。为了获得相同的误码率，当混沌方差分别设置为1和4时，传统的ACO-OFDM所需的信噪比相对于加密后的ACO-OFDM低约0.8dB和2.6dB。所以，由图4可见，仿真结果与理论分析相吻合。
上面试验证明，本发明所提出的通信网络物理层信号保密方法(包括加密和解密)，可达到光通信物理层安全的保密通信效果。相比传统ACO-OFDM，本发明中的多层ACO-OFDM系统大大提高了频谱效率。而混沌密钥可将有用信号隐藏，使窃听者无法从加密信号中提取有用信息。两者的结合，大大提升了保密通信破解的难度，可实现不同安全级别信号的分类传输。本发明在光网络物理层安全的保密通信领域具有很好的应用价值。
上面具体实施例为本发明的优选实施方式，本发明的具体实施方式不限如此，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种通信网络物理层信号加密、解密方法，其特征在于，包括以下步骤：
在信息发送端：S11、根据多层ACO-OFDM系统每一层数据的长度，对待发送的比特序列进行调制，产生多层ACO-OFDM系统每层的信号，然后对各层信号分别加密，具体：
对洛伦兹偏微分方程进行求解，得到混沌密钥，将信号隐藏在密钥中，从而得到加密后的信号；
将多层ACO-OFDM系统中每一层的信号隐藏在密钥中的过程如下：
Yl＝Xl+Chaosl
其中Yl为第l层ACO-OFDM的加密信号，Xl为第l层的调制信号，Chaosl为第l层的混沌密钥；
S12、把加密后的信号分别调制到多层ACO-OFDM系统的各层子载波上；
S13、对加密后的信号进行剪裁操作后再叠加，生成多层ACO-OFDM加密信号；
在信息接收端：S21、对接收到的多层ACO-OFDM加密信号的第1层加密信号进行解密，恢复数据；
S22、对第1层ACO-OFDM加密信号进行再生，估计第1层信号的剪裁噪声，再将第2层ACO-OFDM加密信号去除剪裁噪声，解密后得到第2层数据；
S23、对所有ACO-OFDM更高层进行迭代解调，直到检测并解密多层ACO-OFDM所有层的信号。
2.根据权利要求1所述的通信网络物理层信号加密、解密方法，其特征在于，步骤S11中，根据多层ACO-OFDM系统每一层数据的长度，将待发送的比特序列调制成PAM或QAM信号，产生多层ACO-OFDM系统每层的PAM或QAM信号，然后产生混沌密钥，将多层ACO-OFDM系统每一层的PAM或QAM信号隐藏在密钥中。
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