CN112165378B - 一种高资源利用率的低papr高安全光接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高资源利用率的低PAPR高安全光接入方法，包括：假设用来传输数据的子载波数目为N，选取K个空闲的子载波并将其设置为0，再将K个空闲的子载波与调制信息的载波进行频域上的叠加，得到整个子载波频域上的信息；进行M点傅里叶反变换IFFT，得到OFDM符号；求出每个点的幅值与平均值的差值d(i)，并且对其取反，再进行FFT，再次获得频域上的信号；只保留空闲子载波位置的符号信息并与原始的子载波符号进行叠加，获得降低PAPR后的OFDM符号频域上的信息并进行置乱，再通过傅里叶反变换IFFT，获得最终的降低PAPR后在时域上的OFDM符号。本发明不需要复杂的迭代计算过程，可实现低复杂度情况下的PAPR降低，提高信号质量与通信安全。

Description

一种高资源利用率的低PAPR高安全光接入方法

技术领域

本发明涉及一种高资源利用率的低PAPR高安全光接入方法，属于通信技术领域。

背景技术

21世纪以来，信息技术的发展一日千里，人们对网络容量的需求也激增，数据通信带宽每年都在增长，高质量、高速率的信息传输已经成为人们最急切的需求之一。正交频分复用(OFDM)技术由于其高频谱效率、降低多径干扰以及容量大等优点，一直是光通信领域的研究热点。OFDM在时间和频域赋予网络更细的粒度，并且可以通过相对低速率的光学组件提供巨大的容量。同时，无源光网络(PON)也因为其带宽灵活以及大容量引起了广泛的关注。目前已有大量关于OFDM-PON的研究，但是这些研究往往着重于OFDM网络容量以及数字信号处理上，而忽视了由于光网络容量的急剧增长和通信系统的开放所带来的通信系统安全性问题。

现有的对于通信系统的加密，往往集中在光网络的上层，比如安全协议、密钥加密等。但是上层加密无法保护数据头，因此存在安全隐患。并且随着用户数目的增加，需要管理的密钥也会随之增加，会造成管理不便。而物理层可以为所有类型的数据提供透明加密，可以使得系统整体上更为安全，因此物理层加密是很有前途的方式。与此同时，混沌技术由于具有较高的初始条件灵敏度也被广泛应用于各种加密方案中。而在OFDM中，数字信号处理模块就可以完成信号的产生、调制等过程，这为在DSP过程中利用混沌加密技术来提高OFDM系统的安全性提供了可行性与便利性。

与此同时，在OFDM系统中，PAPR一直是备受关注的问题。如果某个时刻，OFDM中子载波的相位相同，则子载波叠加后会产生很高的峰值，使得信号进入发射机功率放大器的非线性区域，从而带来信号的畸变。因此降低PAPR是十分重要的。目前常用的方式有选择性映射、最优化算法以及预留子载波法等。但是这些方法往往需要多次迭代计算，增加了系统的复杂度。

发明内容

针对OFDM系统中面临的PAPR过高的问题以及由于光网络容量急剧增长带来的接入网系统安全性问题，本发明提供一种高资源利用率的低PAPR高安全光接入方法，通过充分利用OFDM数字信号处理过程中的傅里叶点数资源对PAPR降低以及安全增强，实现低复杂度情况下的PAPR降低，从而提高OFDM-PON的信号质量与通信安全。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种高资源利用率的低PAPR高安全光接入方法，包括以下步骤：

假设用来传输数据的子载波数目为N，进行傅里叶变换的点数为M，和用来降低PAPR的点数为K，K＝M-N，则先选取K个空闲的子载波并将其设置为0，再将K个空闲的子载波与调制信息的子载波进行频域上的叠加，得到整个子载波频域上的信息；

对整个子载波频域上的信息进行M点傅里叶反变换IFFT，得到时域上子载波和空闲子载波信息分别为x_i、c_j的OFDM符号；

对OFDM符号求出每个点的幅值与平均值的差值d(i)，并且对其取反，再对取反后的OFDM符号进行傅里叶变换FFT，再次获得频域上的符号；对再次获得频域上的符号，只保留空闲子载波位置的符号信息并与原始的调制待传输信息的子载波符号进行叠加，获得降低PAPR后的OFDM符号频域上的信息；

对降低PAPR后的OFDM符号频域上的信息进行置乱，再通过傅里叶反变换IFFT，获得最终的降低PAPR后在时域上的OFDM符号。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法中得到整个子载波频域上的信息表示为：

其中X_i为子载波上要传输的信息；C_j是空闲子载波上设置的信息。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案所述方法中得到的OFDM符号其峰均功率比表示为：

其中，s为傅里叶反变换IFFT后的OFDM符号信息，E表示求平均功率值。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法中对降低PAPR后的OFDM符号频域上的信息进行置乱，包括：

设置一个发送端与接收端都已知的密钥；

选取一维logistic映射模型，通过密钥驱动混沌映射，并在混沌映射后产生一串随机的序列{X_n},从随机的序列{X_n}中挑选m个元素，生成一个置换矩阵Z_m；将子载波序列与置换矩阵Z_m相乘，实现对子载波的置乱。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法中选取的一维logistic映射模型表示为：

x_n+1＝λx_n(1-x_n)

其中，λ为logistic映射的初始参数，x_n为迭代值，通过设置初始值x₀来启动混沌映射。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法中生成的一个置换矩阵Z_m表示为：

Z_m＝Mat{mod(X_m，1)·[mod(X_m，1)]′}，m＝1，2，…，M

其中，Mat{}为对矩阵中非整数元素取0，mod()表示取余；X_m表示从混沌序列中挑选出m个值，组成掩蔽因子。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法中获得最终的降低PAPR后的时域OFDM符号表示为：

其中，Z_m为置换矩阵；x_l是子载波上调制的信号，c_l是空闲子载波上设置的信号；f_l是第i个子载波的频率，t为时间。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明提出的一种高资源利用率的低PAPR高安全光接入方法，充分利用傅里叶变换点数对OFDM系统的PAPR进行降低，同时利用混沌映射在物理层实现对传输信息的加密。区别于传统PAPR降低技术中冗杂的迭代或者选择映射过程，本发明利用傅里叶变换过程中多余的资源点实现对PAPR的降低，其主要基于OFDM系统中快速傅里叶(反)变换(FFT\IFFT)过程的线性以及子载波数目与傅里叶点数不匹配的情况，利用FFT\IFFT过程中存在的多余点数，实现对PAPR的降低。区别于传统的加密通信方案，本发明利用混沌映射技术，从数字域对OFDM的物理层进行加密。

本发明方法都在数字信号处理过程中实现，因此成本较低，并且不需要复杂的迭代计算过程，复杂度也较低，实现低复杂度情况下的PAPR降低。以及选择映射，因此系统的效率更高，加密过程在数字域实现对物理层加密，不需要额外的光学器件等，因此成本更低，安全性更好。

附图说明

图1为本发明高资源利用率的低PAPR高安全光接入方法的原理示意图。

图2为本发明基于空闲子载波的PAPR降低过程的示意图。

图3为本发明采用logistic映射的示意图。

图4为本发明子载波置乱的示意图。

图5为本发明运用于基于高资源利用率的低PAPR高安全OFDM-PON系统的示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

如图1所示，本发明设计了一种高资源利用率的低PAPR高安全光接入方法，包括以下步骤：

步骤1、在OFDM过程中，假设用来传输数据的子载波数目为N，频域采样点需要大于或者等于子载波数目，即傅里叶变换点数M需要大于N，同时M必须是2的次幂。而多余的部分(M-N)默认为0。在本发明的方法中，对这些多余的点进行利用，实现对PAPR的降低。假设用来降低PAPR的点数为K，这里K＝M-N，则先选取K个空闲的子载波，并将其设置为0，再将K个空闲的子载波与调制信息的子载波进行频域上的叠加，如图2中的(a)所示，得到整个子载波频域上的信息。

此时整个子载波频域上的信息可以表示为：

其中X_i为子载波上要传输的信息；C_j是空闲子载波上设置的信息，这里为0。

之后对整个子载波频域上的信息进行M点傅里叶反变换IFFT，得到时域上原始的子载波和空闲子载波信息分别为x_i、c_j的OFDM符号，可以表示为：

其时域波形图如图2中的(b)所示，此时，OFDM符号的峰均功率比可以表示为：

此时，对OFDM符号求出每个点的幅值与平均值的差值d(i)，并且对其取反，如图2中的(c)所示。再对取反后的OFDM符号进行傅里叶变换FFT，再次获得频域上的符号，如图2中的(d)所示；为了干扰原始信息的，这里只保留空闲子载波位置的符号信息，如图2中的(e)所示，即对再次获得频域上的符号，只保留空闲子载波位置的符号信息并与原始的子载波符号进行叠加，如图2中的(f)所示，获得降低PAPR后的OFDM符号频域上的信息，如图2中的(g)所示。

由于IFFT\FFT过程的线性，所以空闲载波上的信息不会对调制信号造成干扰，通过FFT变换后能够很好的还原出不同子载波上的原始符号数据。

步骤2、基于logistic映射的子载波加密调制，对降低PAPR后的OFDM符号频域上的信息进行置乱，再通过傅里叶反变换IFFT，获得最终的降低PAPR后在时域上的OFDM符号。具体如下：

在对OFDM符号降低PAPR处理后，需要进行IFFT处理，将频域信息变换到时域后进行传输，再此期间，可以通过对频域上的子载波进行置乱，从而实现加密操作，如图1所示。混沌系统由于其对初始条件高敏感以及结果确定的特性，与密码学中的混淆和散步概念不谋而合，因此利用混沌系统去实现信息加密是一种很有前途的方式。本发明采用一维logistic映射，来产生掩蔽因子，实现对信息的加密。下面对过程进行详细阐述。

在加密通信中，需要设置一个密钥，默认密钥是发送端与接收端都已知的。首先通过密钥驱动混沌映射，本发明选取一维logistic映射模型，其模型可以表示为：

x_n+1＝λx_n(1-x_n) (4)

其中，λ为logistic映射的初始参数，x_n为迭代值，通过设置初始值x₀来启动混沌映射。

由此，本发明需要设置一个初始值x₀和参数λ来驱动映射，也就是本加密通信中的密钥。由于logistic映射的特征，初始密钥中x₀的取值范围在0-1之间，λ的范围在3.6-4之间。混沌映射的图样如图3所示。

映射后会产生一串随机的序列{X_n}，从随机的序列{X_n}中挑选m个元素，生成一个置换矩阵Z_m，Z_m是一个方形二进制矩阵，m的大小与傅里叶点数M相同，它在每行和每列中只有一个1，而在其他地方则为0。置换矩阵Z_m的生成过程可以表示为：

Z_m＝Mat{mod(X_m,1)·[mod(X_m,1)]′}，m＝1,2,…，M (5)

其中Mat{}表示对矩阵中非整数元素取0，mod()表示取余。接着将子载波序列与置换矩阵Z_m相乘，实现对子载波的置乱，如图4所示。

然后，对置乱后的符号，通过傅里叶反变换IFFT，获得最终的降低PAPR后在时域上的OFDM符号。最终获得降低PAPR后在时域上的OFDM符号可以表示为：

其中Z_m为置换矩阵；x_l是子载波上调制的信号，c_l是空闲子载波上设置的信号；f_l是第i个子载波的频率，t为时间。从而数据可以在接收端正确解调。

本发明方法能够利用傅里叶变换点数对OFDM系统的PAPR进行降低，同时利用混沌映射在物理层实现对传输信息的加密，将本方法运用于OFDM-PON系统中，如图5所示，具体过程如下：

本发明方法运用的是基于OFDM的光接入系统，核心点在于OFDM调制模块的PAPR降低以及信息加密。整个传输系统的流程为：在发送端，通过数字信号处理模块进行对原始数据的处理，其中包括符号映射、对OFDM中峰均功率比的降低和子载波置乱。在数字域完成信号的处理后，通过数模转换后将电信号调制到光上，完成信号光的发送。

在接收端，通过光电转换后再对信号进行调制过程的反向操作，实现信号的解调。由于解调是调制的反向过程，因此只需要进行发送端相反的步骤就可以实现信号的解调。首先将信号进行傅里叶变换FFT处理，获得频域上的OFDM符号，由于空闲子载波的信息与数据载波的信息在频域上没有叠加，因此傅里叶变换FFT后数据子载波上的符号不会受到空闲载波上数据的干扰。再通过密钥，生成相同的置换矩阵Z，对所以子载波进行归位后，再正确提取出数据载波上的符号信息，对其进行解映射，就可以恢复出最初始的比特信息流。

综上，本发明方法通过利用傅里叶变换点数对OFDM系统的PAPR进行降低，同时利用混沌映射在物理层实现对传输信息的加密，PAPR降低过程不需要复杂的迭代计算以及选择映射，因此系统的效率更高；加密过程在数字域实现对物理层加密，不需要额外的光学器件等，因此成本更低，安全性更好，实现低复杂度情况下的PAPR降低，从而提高OFDM-PON的信号质量与通信安全。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种高资源利用率的低PAPR高安全光接入方法，其特征在于，包括以下步骤：

假设用来传输数据的子载波数目为N，傅里叶变换的点数为M，用来降低PAPR的点数为K＝M-N，则先选取K个空闲的子载波并将其设置为0，再将K个空闲的子载波与调制信息的子载波进行频域上的叠加，得到整个子载波频域上的信息；

对整个子载波频域上的信息进行M点傅里叶反变换IFFT，得到时域上子载波和空闲子载波信息分别为x_i、c_j的OFDM符号；

对OFDM符号求出每个点的幅值与平均值的差值d(i)，并且对其取反，再对取反后的OFDM符号进行傅里叶变换FFT，再次获得频域上的符号；对再次获得频域上的符号，只保留空闲子载波位置的符号信息并与原始的调制待传输信息的子载波符号进行叠加，获得降低PAPR后的OFDM符号频域上的信息；

对降低PAPR后的OFDM符号频域上的信息进行置乱，再通过傅里叶反变换IFFT，获得最终的降低PAPR后在时域上的OFDM符号；其中，所述对降低PAPR后的OFDM符号频域上的信息进行置乱，包括：

设置一个发送端与接收端都已知的密钥；

选取一维logistic映射模型，通过密钥驱动混沌映射，并在混沌映射后产生一串随机的序列{X_n},从随机的序列{X_n}中挑选m个元素，生成一个置换矩阵Z_m，表示为：

Z_m＝Mat{mod(X_m，1)·[mod(X_m，1)]′}，m＝1，2，…，M

其中，Mat{}为对矩阵中非整数元素取0，mod()表示取余；X_m表示从混沌序列中挑选出m个值，组成掩蔽因子；

再将子载波序列与置换矩阵Z_m相乘，实现对子载波的置乱。

2.根据权利要求1所述高资源利用率的低PAPR高安全光接入方法，其特征在于，所述方法中得到整个子载波频域上的信息表示为：

其中X_i为子载波上要传输的信息；C_j是空闲子载波上设置的信息。

3.根据权利要求1所述高资源利用率的低PAPR高安全光接入方法，其特征在于，所述方法中得到的OFDM符号其峰均功率比表示为：

其中，s为傅里叶反变换IFFT后的OFDM符号信息，E表示求平均功率值。

4.根据权利要求1所述高资源利用率的低PAPR高安全光接入方法，其特征在于，所述方法中选取的一维logistic映射模型表示为：

x_n+1＝λx_n(1-x_n)

其中，λ为logistic映射的初始参数，x_n为迭代值，通过设置初始值x₀来启动混沌映射。

5.根据权利要求1所述高资源利用率的低PAPR高安全光接入方法，其特征在于，所述方法中获得最终的降低PAPR后在时域上的OFDM符号表示为：

其中，Z_m为置换矩阵；x_l是子载波上调制的信号，c_l是空闲子载波上设置的信号；f_l是第i个子载波的频率，t为时间。

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