CN112054888B - 一种密级可控的载波、星座、模式多混沌掩盖光传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种密级可控的载波、星座、模式多混沌掩盖光传输方法，首先对数据进行串并变化，然后将数据映射到各个星座点上。利用蔡氏混沌模型来对三维星座图进行掩蔽，使得三维星座点转成一个球；接着，利用洛伦兹模型分别对子载波和正交模式进行掩蔽，同时，对洛伦兹模型及蔡氏电路模型的参数进行调制，从而实现对混沌加密的密级可控，在接收端，利用原始的蔡氏电路、洛伦兹模型密钥来对混沌星座图进行解密，将接收端解密后的信号与发射端进行比对从而计算系统误码率，从而判断系统性能，本发明利用对混沌模型参数的控制可以进行单个维度的加密或者多个维度的组合加密，实现了密级可控，根据不同的条件，以最低的加密代价实现高安全的传输。

Description

一种密级可控的载波、星座、模式多混沌掩盖光传输方法

技术领域

本发明涉及光传输通信技术领域，具体涉及一种密级可控的载波、星座、模式多混沌掩盖光传输方法。

背景技术

随着5G、4K视频、云计算等业务的快速发展，使得中国走在了5G的最前端。因此中国的通信领域将面向更为广泛的空间，有更多的新空间需要拓展，更多的新业务将被开发。巨大的信息容量需求不断催动长距离骨干网络和短距离光传输系统的发展，光通信系统扩容是一个永恒的话题。因此，多载波技术在光网络中受到越来越多的关注。多载波技术可以提供较大的容量和灵活的带宽。多载波技术如光正交频分复用(OFDM)得到了广泛的研究。

空分复用(Space Division Multiplexing,SDM)技术利用少模光纤承载的模式数量相对较多，能够稳定的进行模式复用，减弱了不同模式间的耦合，优化系统的参数。但是在实际的条件下，少模光纤由于制备中的瑕疵，就会导致少模光纤中的各个模式之间出现模场的叠加，从而破坏了少模光纤中传输的各个模式之间的正交性，最终引起各个模式之间的耦合。因此，本发明中，利用正交模式进行传输，所述的正交模式是利用空间光调制器所产生的一系列半径各不相同的环形光斑，经过调制后，各个光斑之间呈同心圆环状分布，没有相互交叠的部分，满足严格的正交性，可以有效减少模式之间的串扰和非线性效应。

同时，在光纤通信传输容量不断提升的前提下，光纤通信的安全问题愈发引起人们的关注。数字混沌利用数字混沌的方式产生密钥对数据进行加密，由于数字信号处理具有较高的灵活性，在信号处理的过程中也相对比较简单而得到了广泛的使用。许多利用混沌系统的加密通信方案已经被研究并证明有着优越的保密性与抗破译能力，因此采用混沌系统对通信系统进行物理层加密被认为是一种很有前途的加密方案。虽然这种混沌加密方法有着很高的安全性，但是其过高的复杂性往往会导致处理时间过长，以及导致误码率的提高。如何根据不同的信道模型以最小的代价实现最合适的加密程度成为一个新的研究的话题。

因此，在本发明中，我们利用洛伦兹混沌模型和蔡氏混沌模型来对OFDM系统中的子载波，星座图和各个正交模式来进行掩蔽，实现高速高安全大容量的传输。同时，我们利用反馈控制，改变混沌模型的密钥参数，实现对子载波、星座图及正交模式的密级可控的混沌掩盖。

发明内容

(一)解决的技术问题

本发明设计一种密级可控的载波、星座、模式多混沌掩盖光传输方法，在光纤通信传输容量不断提升的前提下，光纤通信的安全问题愈发引起人们的关注，在载波、星座、正交模式等各个参量都被混沌加密的条件下，各个参量之间的关系都会影响着整个系统的性能，对于单个维度的加密，其密钥空间相对比较小，安全性比较低，但是处理时间相对比较短。而多个维度的加密，虽然有着很高的密钥空间，安全性极高，但是其处理时间相对比较长，过于复杂的混沌加密在接收端进行判决时往往会影响其误码率，所以本发明提出了一种了密级可控的载波、星座、模式多混沌掩盖的光传输方法，根据不同的条件，进行单个维度或者多个维度的组合加密，从而实现密级可控。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种密级可控的载波、星座、模式多混沌掩盖光传输方法，具体包括以下步骤：

S1：将输入的原始二进制符号进行时隙三维映射，从而将二进制数据流映射为三维星座点；

S2：通过串并变换后将三维数据分成三路并行的数据进行传输；

S3：采用蔡氏混沌模型对星座点进行掩蔽；

S4：采用洛伦兹模型来对子载波进行掩蔽；

S5：通过并串变换后将三路合成一路数据进行传输；

S6：对正交模式进行置换，采用洛伦兹模型所产生的混沌序列x作为模式掩蔽的密钥，将原始的正交模式的顺序打乱，完成对模式的掩蔽；

S7：在的加密掩蔽完成之后，根据处理的时间以及加密后的安全性来反馈调节控制混沌模型的参数的方法来控制混沌序列，进而影响掩蔽向量，最终实现对于载波，星座和模式的密级可控；

S8：接收端对接收到的数据信号进行解调，恢复发送端发送的数据信号。

进一步的，所述步骤S3具体包括：将三维的星座点的坐标(x,y,z)化为球坐标系中的半径，仰角，方位角的形式；半径的变化关系为：R＝r×x₁，其中，R为变化后的新半径，r为原始半径，x₁为蔡氏模型所产生的混沌序列；仰角的变化关系为：

就将原始星座点的仰角实现了(-π,π)的全覆盖，θ＝θ+z₁可以实现对于方向角的加密。

进一步的，所述步骤S6具体包括：取出洛伦兹混沌序列的第一个值y₂,进行取整运算即y'₂＝floor(y₂)，然后将混沌序列后的各个值取整后与y'₂做取余计算，即K＝mod(floor(y_i+1),y'₂)，所产生的K代表第K个模式与中心的模式进行置换，实现了对于模式的加密。

进一步的，所述步骤S8具体包括以下步骤：

(1)模式置换的恢复；

(2)串并变换；

(3)子载波解调；

(4)星座旋转；

(5)并串变换；

(6)最终恢复原始数据。

(三)有益效果

本发明提出的一种密级可控的载波、星座、模式多混沌掩盖光传输方法，利用蔡氏电路模型以及洛伦兹模型分别对载波、星座和正交模式进行掩蔽，有着很大的密钥空间，安全性能极高；本发明利用对混沌模型参数的控制可以进行单个维度的加密或者多个维度的组合加密，实现了密级可控，根据不同的条件，以最低的加密代价实现高安全的传输。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明传输加密发送流程图；

图2为本发明三维星座点分布示意图；

图3为本发明蔡氏模型的分岔图和相图；

图4为本发明采用蔡氏模型加密后的星座点图；

图5为本发明洛伦兹模型的相图和分岔图；

图6为本发明正交模式示意图；

图7为本发明不同α值条件下的星座加密图；

图8为本发明不同密钥条件下的子载波频率示意图；

图9为本发明不同密钥参数下混沌置换示意图；

图10为本发明传输解密接收流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-10，本发明提供一种技术方案：本发明是一种密级可控的载波、星座、模式多混沌掩盖光传输方法。其流程框图如图1所示。

一种密级可控的载波、星座、模式多混沌掩盖光传输方法流程框图说明如下：在发射端，首先将二进制数据进行映射，串并变换后将原始的数据流变成三路进行传输，接着利用蔡氏混沌模型对星座点进行掩蔽，使得原始星座点旋转和拉伸成为一个球。再利用洛伦兹映射对OFDM的各个子载波进行掩蔽。最后对正交模式进行置换，将原始的正交模式的顺序打乱，完成对模式的掩蔽。在完成对于星座点、子载波频率以及正交模式的掩蔽之后，有一个反馈控制单元，进行对于混沌映射的参数进行调整，从而实现单个维度的加密或者多个维度同时加密的密级可控功能。最终进行正交模分复用传输。

(1)时隙映射单元

该模块的主要作用是将输入的原始二进制符号进行时隙三维映射，从而将一维的数据流变为三维数据。

(2)串并变换和并串变换单元

串并变换是将原始的“0”，“1”比特流转变成三维的星座点坐标后，分成三路并行的数据进行传输。比如本发明中的星座点个数为16，那么每个星座点需要4个比特来表示。将原始的比特流每4位为一组，那么一共有16种不同的情况，也就对应着16个星座点的坐标。而本发明中采用的是三维的星座图，将星座点的三个维度x,y,z分别作为一路信号进行传输，这样就相当于有三路信号同时传输，实现由串行变成并行的转变，也就是串并变换。串并变换的作用实现多路信号的同时传输可以有效的提升传输的速率。并串变换相当于是串并变换的反过程。由于在实际的传输过程中，对于光源的调制一般都是一路信号，因此在对信号的编码处理后将原始的编码信号合成一路去对光源进行调制。

(3)星座掩蔽单元

该模块的主要作用是对星座进行加密处理。我们采用蔡氏模型作为混沌映射，生成立方星座掩蔽向量。三维星座图的模型如图2所示。

蔡氏电路模型为：

其中,α,β,a,b是常量，x,y,z,t为变量。

蔡氏模型的相图和分岔图如图3所示，从分岔图中可以发现，对于不同的参数α对应的混沌序列(x₁,y₁,z₁)有着不同的对应值，当α的值小于7.8时，混沌序列x的取值相对比较少，当α值小于特定值时，混沌将会消失。因此可以通过控制参数α来控制蔡氏混沌序列，从而达到控制整个星座加密部分。具体的，星座掩蔽的过程为：首先，将三维的星座点的坐标(x,y,z)化为球坐标系中的半径，仰角，方位角的形式。半径的变化关系为：R＝r×x₁其中，R为变化后的新半径，r为原始半径，x₁为蔡氏模型所产生的混沌序列。这样就实现了对于原始星座图的半径的拉伸。仰角的变化关系为：

这样就将原始星座点的仰角实现了(-π,π)的全覆盖，同理θ＝θ+z₁可以实现对于方向角的加密。经过加密后的星座点如图4所示。

从图4中可以发现，加密后的星座图经过半径的伸缩变化，以及仰角和俯角的旋转，原始星座点的位置被完全的打乱，整体的星座点分布类似一个实心球。具有极高的安全性。

(4)载波掩蔽单元

对于子载波掩蔽，利用洛伦兹模型来进行掩蔽。洛伦兹模型为：

其中,A,B,C是常量，x,y,z,t为变量。洛伦兹模型的相图和分岔图如图5所示。对于载波的掩蔽，假定子载波数为K，则掩蔽向量可以表示为:

ω＝mod(floor(((x₂+2)/2×10³),K)                  (3)

其中ω定义了多载波的索引，x₂表示由洛伦兹模型所产生的混沌序列，floor为向下取整函数，mod为取余函数。假设原来的子载波为S_k，经过多载波掩蔽后的子载波可以表示为：

S'_k＝S_kArg(S_ω)                       (4)

S'_k表示经过多载波掩蔽后的第k个子载波，Arg为取幅角的函数S_ω为第ω个子载波。这样就实现了对于载波的掩蔽。

(5)正交模式掩蔽单元

本发明中所述的正交模式同传统的模分复用中的模式有很大差别。本发明中所指的正交模式是指利用空间光调制器产生一些列半径各不相同的圆环状的光斑，即为不同的模式，然后将不同模式的光斑进行叠加，形成类似于靶状的一系列的同心圆环，各个光斑之间由于半径各不相同，因此各个光斑之间没有相互叠加的部分，有着严格的正交性。所以各个模式之间的耦合以及模式之间的串扰几乎为零很好的解决了传统模分复用系统中模式之间的相互影响。这种正交模式如图6所示。

对于正交模式，利用洛伦兹模型进行掩蔽，将洛伦兹模型所产生的混沌序列x作为模式掩蔽的密钥。具体的方式为：首先取出洛伦兹混沌序列的第一个值y₂,进行取整运算即y'₂＝floor(y₂)。然后将混沌序列后的各个值取整后与y'₂做取余计算，M＝mod(floor(y_i+1),y'₂)，所产生的M代表第M个模式与中心的模式进行置换，这样就实现对于模式的加密。从图5洛伦兹模型的分岔图中可以发现，当参数B趋于零时，混沌的现象将会消失，也就是原偏微分方程组有唯一解。此时，这种掩蔽方法将不再有效，进而实现了对于模式加密与否的控制。

(6)反馈单元

在整体的加密完成之后，根据处理的时间以及加密后的安全性对于混沌模型的密钥进行调整。对于蔡氏混沌模型以及洛伦兹模型，我们调整其原始参数，这样其混沌的现象就会发生变化，对于加密的效果也会产生变化。反馈单元相当于是一个判决的过程。本发明所提及的反馈单元是在数字信号处理的算法中实现的，通过构建循环语句，可以得到不同参数下系统的处理时间、误码率、密钥空间等性能。然后根据对于性能的不同需求，(比如有的对于处理时间的要求比较高，有的对于密钥空间，加密的安全性的要求比较高)显然这些需求对于混沌模型参数的要求必不相同。而调节了混沌模型的参数后产生的混沌序列也必然会发生变化，各个维度的加密向量也必然发生变化，最终影响加密的效果，实现密级可控。

请参阅图8，f₁,f₂,f₃,f₄,f₁′,f₂′,f₃′,f₄′,f₁″,f₂″,f₃″,f₄″分别代表原始子载波频率和不同密钥参数下掩蔽后的子载波频率。第二个图与第一个图相比，子载波频率发生了较大的变化，实现了对于子载波的掩蔽，第三个图的载波频率与第一个图几乎一致，此时可以认为并没有进行载波的掩蔽，这样就实现了对于载波加密的控制。

图9为不同密钥参数下的混沌置换示意图，第一个为原始的正交模式分布图，第二个图为在进行模式掩蔽后的正交模式分布图，与第一个图相比，第二个图的模式分布已经完全被打乱，实现了对于模式的掩蔽。第三个图为当洛伦兹混沌模型的参数B为零时的模式分布图，由于参数B为零，此时的混沌现象将消失，此时的洛伦兹模型的混沌序列的值近似为唯一解，根据我们取余的掩蔽方式，此时所取到的M恒为1，也就是第一个模式和中心的模式进行置换，而第一个模式即为圆环中心的模式，这样就可以视为没有对模式进行置换，这样就实现了对于模式掩蔽的控制。

综上，我们利用控制混沌模型的参数的方法来控制混沌序列，进而影响掩蔽向量，最终实现对于载波，星座和模式的密级可控。

图10为本发明光传输接收流程图，主要包括模式置换的恢复，串并变换，子载波解调，星座旋转，并串变换，最终恢复原始数据。接收端解调过程是信号解密的反过程。

在模式置换阶段，利用加密阶段产生的序列M进行解调。具体的，首先将序列M中的值的顺序倒过来，后面的换到前面，也就是原来第一个值作为最后一个值，依次类推形成一个新的序列。将中心的模式与新的序列中的值所对应的模式进行置换，最终恢复成原始的模式顺序。对于子载波掩蔽，用S_k＝S′÷Arg(S_ω)即可恢复原始的子载波频率。其中ω为多载波索引，与公式3一致。星座旋转部分，将接收到的三维的星座点的坐标(x,y,z)化为球坐标系中的半径，仰角，方位角的形式。半径的变化关系为：R＝r÷x₁其中，R为变化后的新半径，r为原始半径，x₁为蔡氏模型所产生的混沌序列。这样就实现了对于原始星座图的半径的拉伸。仰角的变化关系为：

同理θ＝θ-z₁可以实现对于方向角的解密。这样，就实现了将加密后的星座点的恢复。然后通过并串变换将三维的数据转化为原始的比特流实现了数据的恢复。

本发明在发射端，首先对数据进行串并变化，然后将数据映射到各个星座点上。利用蔡氏混沌模型来对三维星座图进行掩蔽，使得三维星座点转成一个球。接着，利用洛伦兹模型分别对子载波和正交模式进行掩蔽。同时，对洛伦兹模型及蔡氏电路模型的参数进行调制，从而实现对混沌加密的密级可控。在接收端，利用原始的蔡氏电路、洛伦兹模型密钥来对混沌星座图进行解密。将接收端解密后的信号与发射端进行比对从而计算系统误码率，从而判断系统性能。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (2)

1.一种密级可控的载波、星座、模式多混沌掩盖光传输方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1：将输入的原始二进制符号进行时隙三维映射，从而将二进制数据流映射为三维星座点；

S2：通过串并变换后将三维数据分成三路并行的数据进行传输；

S3：采用蔡氏混沌模型对星座点进行掩蔽；

S4：采用洛伦兹模型来对子载波进行掩蔽；

S5：通过并串变换后将三路合成一路数据进行传输；

S6：对正交模式进行置换，采用洛伦兹模型所产生的混沌序列x₂作为模式掩蔽的密钥，将原始的正交模式的顺序打乱，完成对模式的掩蔽；

S7：在加密掩蔽完成之后，根据处理的时间以及加密后的安全性来反馈调节控制混沌模型的参数的方法来控制混沌序列，进而影响掩蔽向量，最终实现对于载波，星座和模式的密级可控；

S8：接收端对接收到的数据信号进行解调，恢复发送端发送的数据信号；

所述步骤S3具体包括：将三维的星座点的坐标(x,y,z)转化为球坐标系中的半径，仰角，方位角的形式；(x₁，y₁，z₁)为蔡氏模型所产生的混沌序列，半径的变化关系为：R＝r×x₁，其中，R为变化后的新半径，r为原始半径，仰角的变化关系为：

其中，

分别为变化后的仰角和原始仰角，将原始星座点的仰角实现了(-π,π)的全覆盖，θ＝θ_old+z₁，θ,θ_old分别为变化后的方向角和原始方向角，实现了对于方向角的加密；

所述步骤S4具体包括：对于载波的掩蔽，假定子载波数为K，则掩蔽向量表示为:

ω＝mod(floor((x₂+2)/2×10³),K)

其中ω定义了多载波的索引，x₂表示由洛伦兹模型所产生的混沌序列，假设原来的子载波为S_k，经过多载波掩蔽后的子载波表示为：

S'_k＝S_kArg(S_ω)

S'_k表示经过多载波掩蔽后的第k个子载波，Arg为取幅角的函数，S_ω为第ω个子载波。

2.根据权利要求1所述的一种密级可控的载波、星座、模式多混沌掩盖光传输方法，其特征在于，所述步骤S8具体包括以下步骤：

(1)模式置换的恢复；

(2)串并变换；

(3)子载波解调；

(4)星座旋转；

(5)并串变换；

(6)最终恢复原始数据。

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