CN112468286B - 一种基于哈希算法的低papr高安全光传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于哈希算法的低PAPR高安全光传输方法，原始数据流通过MD5算法生成MD5哈希值，然后通过算法设计转换成一串随机的数字序列抽取CAZAC序列（恒幅值零自相关序列）组成具有安全性的随机CAZAC序列，与原始数据流相乘。其次系统发射端的原始数据流通过SHA‑256生成信息摘要后放在上一步生成的数据尾部，然后再进行QAM调制。在系统的接收端，在QAM解映射后，接收端先不接受数据，使用SHA‑256计算接收到的串行数据生成对应哈希值，与发送端信息中包含的信息摘要进行比对，如果比较一致，证明信号在传输的过程中没有遭到恶意窃取或者篡改。本发明增加系统的安全性，大幅提升系统性能，降低成本。

Description

一种基于哈希算法的低PAPR高安全光传输方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域的光传输技术，尤其涉及一种基于哈希算法的低PAPR高安全光传输方法。
背景技术
近些年，5G时代的到来给人们的生活带来了天翻地覆的变化，无人驾驶技术、大数据技术、云计算、5G智能手机以及基于物联网技术的智能家居生态链等应用随之迅猛发展，带来全球范围内互联网的流量的指数级增长，然而对于光纤传输系统，受光纤非线性效应的影响，单纤、单波长的光纤通信系统容量已经逼近香农极限。这意味着通信网络传输需要更大的传输容量，发展新一代高速大容量光传输技术，既是应用的亟需，也是保持国家竞争力的迫切要求。面对通信容量的挑战，光网络接入技术中无源光网络(PON)因其自身具有的节省光纤资源，服务范围大，运营管理成本低，带宽分配灵活等优势被视为建设高速网络“最后一公里”未来重要的发展方向，并且已经广泛应用于有效实现网络管理，批量离线设备，屏蔽不重要警告等方面。此外正交频分复用(OFDM)技术，因其具有频谱利用率高，扛窄带干扰能力强，简单的通道划分技术和调制解调过程简单等优势也经常应用在通信网络中，结合二者优势的无源光网络OFDM-PON应运而生并且得到了广泛的应用，本申请也是基于此网络对光传输方法进行优化。
一方面，在OFDM技术中，因为OFDM信号是由多个子载波的调变信号合成的信号，所以当每个信号以同相位合成的时候，就会出现峰值功率比(PAPR)过大的情况，高PAPR值严重限制了OFDM信号的性能，会增加系统A/D，D/A转换器的复杂性，提高了对RF功率放大器的要求，线性放大器的利用率低，系统会出现非线性失真的现象。因而降低OFDM信号的PAPR至关重要，目前应用与PAPR减小的技术有很多，大致可以分为三大类：限幅类技术，编码技术以及非畸变技术，限幅类技术主要有剪切法，加峰值窗口法，加校正函数法，加权多载波调制等。编码技术主要有循环编码，M序列，分组编码等。非畸变技术主要有选择性映射(SLM)，部分传输序列(PTS)等。这些降PAPR技术存在例如增加复杂度，实现成本高，使用范围有限等缺陷，而恒幅值零自相关序列(CAZAC)序列，因自身具有的理想的周期自相关特性，良好的互相关特性，经过傅里叶变换的不变性和自身峰均功率比为0dB等特性，对应用于PAPR的减小具有天然的优势。
另一方面，对OFDM-PON技术的安全保护问题也不容忽视。目前基于PON技术基础上的安全保护主要是两种，一种是设备的冗余维护，另一种是用户的接入安全，保护手段较为单一。这使得OFDM-PON系统在信号传输过程中信号容易被窃取，因而对于信号安全加密问题亟待解决。对于目前应用于安全加密的技术，相比于别的加密技术，哈希算法具有单向性的优点，可以防止暴力破解，同时可以应用于安全加密、唯一标识、数据校验、散列函数、负载均衡、数据分片、分布式存储。其中本申请应用到的是MD5和SHA-256，MD5即Message-Digest Algorithm 5(信息-摘要算法5)，用于确保信息传输完整一致，是计算机广泛使用的杂凑算法之一。主流编程语言普遍已有MD5实现。MD5算法具有以下特点：1、压缩性：任意长度的数据，算出的MD5值长度都是固定的。2、容易计算：从原数据计算出MD5值很容易。3、抗修改性：对原数据进行任何改动，哪怕只修改1个字节，所得到的MD5值都有很大区别。4、强抗碰撞：已知原数据和其MD5值，想找到一个具有相同MD5值的数据(即伪造数据)是非常困难的。SHA-256同样是一种安全散列算法，对于SHA-256有2的256次方种组合，对原始数据分割成N个大小的模块并进行N次循环迭代，结合自身的单向性，在有限的时间内无法破解。
由于OFDM信号具有方便的数字信号处理(DSP)特性，所以在物理层对OFDM-PON进行安全处理十分便捷可行。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，基于哈希算法对OFDM-PON系统进行优化，为了有效降低OFDM系统的峰值功率比，降低误码率，提升系统的性能，同时基于哈希算法的安全性，提升OFDM-PON系统信号在系统传输过程中的安全性，保证接受单元获得的是不被恶意窃取或篡改的信息，提供一种基于哈希算法的低PAPR高安全光传输方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于哈希算法的低PAPR高安全光传输方法，包括如下步骤：
S1、由发送端生成原始数据流，对原始数据流分别进行MD5算法和SHA-256算法，分别生成对应的随机字符串和信息摘要；
S2、将MD5算法生成的随机字符串，通过算法设计分别生成字母数组和纯数字数组；将字母数组重新组成一个字符串，定义函数将其转换成数字格式序列；生成的新的数字格式序列与数字序列组合，生成随机数字序列；选取CAZAC序列中对应的值，组成新的随机CAZAC序列；
S3、组成的新的随机CAZAC序列与原始数据流相乘生成新的数据流；
S4、原始数据流通过SHA-256算法生成的信息摘要放入步骤S3新的数据流尾部，并进行QAM映射；
S5、对QAM映射的信号处理传输后，将获得的信号进行QAM解映射；
S6、将解映射得到的信息代入SHA-256算法进行计算，生成对应的信息摘要与步骤S4原始数据流通过SHA-256算法生成的信息摘要进行比对；若比对结果为一致，则判定信息在传输过程中未被窃取或篡改，发送给对应接收端用户；如果比对结果不一致，则判定传输过程中信息被窃取或被篡改，则要求发送端信息重发或拒绝接受。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
进一步地，首先对生成的原始数据流进行字符格式转换，数据流转换字符格式指定成字符向量或者字符串标量，再进行MD5算法计算。
进一步地，步骤S2包括：
通过MD5算法，原始数据流文本生成一串随机的32位字符串；
使用正则匹配算法分别生成1*13的字母数组和1*19的纯数字数组；将1*13的字母数组重新组成一个字符串，定义新的函数使用num2str将其转换成数字格式序列；
生成的新的数字格式序列与1*19的数字序列组合，生成32位的随机数字序列。
进一步地，步骤S2中，选取完备单位根序列中zadoff-chu序列的值，与MD5算法生成的随机字符串通过算法设计转换成的随机数字序列组成新的随机CAZAC序列。
进一步地，CAZAC序列选择zadoff-chu序列，Ck＝[C0，C1，C2…C(L-1)]，定义为：
Figure GDA0003021511170000041
其中，L为大于1的正整数，代表序列长度；P为L以内的所有素数；K为0～(L-1)的正整数；
使用生成的32位数字序列，选出CAZAC序列中对应的值，形成了一组新的随机CAZAC序列Ck′＝[C′n…C′m]，(m-n+1＝32)。
进一步地，步骤S4中，QAM映射具体为选取16-QAM进行调制。
进一步地，16-QAM调制过程如下：
将输入比特流数据先通过星座映射到一个复平面上，每4个比特映射为一个符号，一共映射为16种调制符号；然后将符号的I、Q分量采用幅度调制，调制分别对应在相互正交的两个载波cosωct和sinωct上，得到两路并行的调制信号；分别进行采样；
其中，ωc是一对相互正交的载波的频率。
进一步地，步骤S5中，对QAM映射的信号处理过程包括：
1)将得到的串行高速信号转换为多路并行低速子载波信号，再通过快速逆傅里叶变换得到数字时域信号；
2)将得到的数字时域信号增加循环前缀和保护间隔；
3)将增加过保护间隔的多路并行信号转换成单路串行信号送入射频上变频器进行数模转换和频谱搬移，进行上变频；将信号送入调制器进行光学调制；
4)将进行光学调制后的光信号送入信道传输；在OFDM接收端，用光电探测器接收到信道中传输的信号；送入射频下变频器解调出需要的信号；
5)去除信号保护间隔；将解调出的单路信号通过串并变换成多路子载波信号；对获得的信号进行快速傅里叶变换(FFT)将时域信号转换到频域上进行解调；
6)将快速傅里叶变换后的多路并行信号转换成单路串行信号。
进一步地，步骤S6中对信息摘要认证判定过程如下：
1)从QAM解映射后的信号中提取出包含发送端原始数据的部分；
2)将提取出的信号数据带入SHA-256，计算出对应的信息摘要；
3)从QAM解映射后的信号中提取出包含发送端初次生成的信息摘要；
4)将两次生成的信息摘要进行对比，如果摘要一致，则说明信息在传输过程中并未被篡改或者窃取，用户端同意接受；若信息摘要不一致，则说明信息在传输过程中遭到篡改或者窃取，用户端拒绝接受数据，请求发送端重发。
进一步地，基于哈希算法的低PAPR高安全光传输方法是基于OFDM-PON系统。
本发明的有益效果是：本发明基于哈希算法和CAZAC序列在降低系统PAPR同时增加系统的安全性，大幅提升系统性能，降低系统成本，不需要对子载波进行扰动，不需要外加设备，实施过程复杂度低，计算速度快。特别是对于局域网接入用户，用户端可以获取完整性好安全性极高的信号数据，是一种安全性好的高性能光传输方法。
附图说明
图1是本发明基于哈希算法的低PAPR高安全光传输方法流程图。
图2是本发明基于哈希算法的低PAPR高安全光传输方法的原始数据流生成模块。
图3是本发明基于哈希算法的低PAPR高安全光传输方法的16-QAM调制流程示意图。
图4是本发明基于哈希算法的低PAPR高安全光传输方法的随机CAZAC序列生成过程示意图。
图5是本发明基于哈希算法的低PAPR高安全光传输方法的信息摘要认证流程图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明在OFDM-PON系统基础框架上，在信息的发送端，原始数据流通过MD5算法生成MD5哈希值，然后通过算法设计转换成一串随机的数字序列抽取CAZAC序列(恒幅值零自相关序列)组成具有安全性的随机CAZAC序列，与原始数据流相乘。其次系统发射端的原始数据流通过SHA-256生成信息摘要后放在上一步生成的数据尾部，然后再进行QAM调制。在系统的接收端，在QAM解映射后，接收端先不接受数据，使用SHA-256计算接收到的串行数据生成对应哈希值，与发送端信息中包含的信息摘要进行比对，如果比较一致，证明信号在传输的过程中没有遭到恶意窃取或者篡改，可以直接输出生成的OFDM(正交频分复用技术)信号。
其中，MD5即Message-Digest Algorithm 5(信息-摘要算法5)，用于确保信息传输完整一致，是计算机广泛使用的杂凑算法之一。主流编程语言普遍已有MD5实现。MD5算法具有以下特点：1、压缩性：任意长度的数据，算出的MD5值长度都是固定的。2、容易计算：从原数据计算出MD5值很容易。3、抗修改性：对原数据进行任何改动，哪怕只修改1个字节，所得到的MD5值都有很大区别。4、强抗碰撞：已知原数据和其MD5值，想找到一个具有相同MD5值的数据(即伪造数据)是非常困难的。SHA-256同样是一种安全散列算法，对于SHA-256有2的256次方种组合，对原始数据分割成N个大小的模块并进行N次循环迭代，结合自身的单向性，在有限的时间内无法破解。
如附图1所示，为一种基于哈希算法挑选CAZAC序列降低系统PAPR(峰值功率比)同时增强信号传输安全性的光传输系统，其包括四大模块。
原始数据流生成模块。如附图2所示，原始数据添加FEC前向纠错码然后分块生成原始的数据流，增加前向纠错模块可以有效降低传输系统的误码率，然后对原始数据每2个比特一组生成原始数据流。
QAM映射模块。如图3所示，以16-QAM调制为例，其调制流程为：将输入比特流数据先通过星座映射到一个复平面上，每4个比特映射为一个符号，一共映射为16种调制符号，然后将符号的I、Q分量采用幅度调制，调制分别对应在相互正交(时域正交)的两个载波cosωct和sinωct上，得到两路并行的调制信号，然后分别进行采样；其中，ωc是一对相互正交的载波的频率。
随机CAZAC序列生成模块。如图4所示，随机CAZAC序列生成模块是本发明提出系统的重要单元，随机CAZAC序列生成模块通过设计的算法完成，首先对生成的原始数据流进行字符格式转换，数据流转换字符格式指定成字符向量或者字符串标量，然后通过MD5算法，输入的原始数据流文本哈希出一串随机的32位字符串，接着使用正则匹配算法分别生成1*13的字母数组和1*19的纯数字数组，将1*13的字母数组重新组成一个字符串，定义新的函数使用num2str将其转换成数字格式序列，生成的新的数字格式序列与1*19的数字序列组合，生成32位的随机数字序列。
CAZAC序列选择zadoff-chu序列Ck＝[C0，C1，C2…C(L-1)]定义为：
Figure GDA0003021511170000071
其中，L为大于1的正整数，代表序列长度；P为L以内的所有素数；k为0～(L-1)的正整数；
使用生成的32位数字序列，选出CAZAC序列中对应的值，形成了一组新的随机CAZAC序列Ck′＝[C′n…C′m]，(m-n+1＝32)。
信息摘要认证模块。如图5所示，信息摘要模块是判定信号在系统中传输是否被篡改，窃取的重要模块，对信息摘要认证判定过程如下：
1)从QAM解映射后的信号中提取出包含发送端原始数据的部分；
2)将提取出的信号数据带入SHA-256，计算出对应的信息摘要；
3)从QAM解映射后的信号中提取出包含发送端初次生成的信息摘要；
4)将两次生成的信息摘要进行对比，如果摘要一致，则说明信息在传输过程中并未被篡改或者窃取，用户端同意接受；若信息摘要不一致，则说明信息在传输过程中遭到篡改或者窃取，用户端拒绝接受数据，请求发送端重发。
在本发明的一个实施例中，整个安全性OFDM-PON系统的工作流程为：
1)原始数据流分别进行MD5算法和SHA-256算法，生成对应的随机字符串和信息摘要；
2)将MD5算法生成的32位随机字符串通过算法设计转换成随机数字序列，
3)本发明CAZAC序列选取完备单位根序列中zadoff-chu序列；
4)根据步骤3，使用步骤2中生成的随机数字序列选取zadoff-chu序列中的值，并组成新的随机CAZAC序列；
5)根据步骤4，组成的新的CAZAC序列与原始数据流相乘生成新的数据流；
6)根据步骤1，原始数据流通过SHA-256生成的信息摘要放入步骤5的数据流尾部；
7)本发明选取16-QAM进行调制，将步骤6生成的数据流进行QAM映射；
8)将步骤7中得到的串行高速信号转换为多路并行低速子载波信号；
9)将步骤8得到的并行子载波通过快速逆傅里叶变换(IFFT)得到数字时域信号；
10)将步骤9得到的数字时域信号增加循环前缀和保护间隔(CP)解决时延扩展带来的符号间干扰(ISI)和子载波间干扰(ICI)的问题；
11)根据步骤10，将增加过保护间隔的多路并行信号转换成单路串行信号送入射频上变频器进行数模转换和频谱搬移，进行上变频；
12)根据步骤11，上变频之后信号送入调制器进行光学调制；
13)根据步骤12，将进行光学调制后的光信号送入信道传输；
14)在OFDM接收端，用光电探测器接收到信道中传输的信号；
15)根据步骤14，对接收的信号送入射频下变频器解调出需要的信号；
16)根据步骤15，去除信号保护间隔；
17)根据步骤16，将解调出的单路信号通过串并变换成多路子载波信号；
18)根据步骤17，对步骤17获得的信号进行快速傅里叶变换(FFT)将时域信号转换到频域上进行解调；
19)根据步骤18，将快速傅里叶变换后的多路并行信号转换成单路串行信号；
20)根据步骤19，将获得的信号进行QAM解映射；恢复出原始信息；
21)根据步骤6和20，将步骤20得到的信息代入SHA-256进行计算，生成对应的信息摘要与步骤6获取的信息摘要进行比对，若比对一致，则判定信息在传输过程中未被窃取或篡改，发送给对应接收端用户，用户对应获得发送端发送的原始数据。如果信息摘要不一致，则传输过程中信息被窃取或被篡改，接收端要求信息重发或者拒绝接受。
本发明基于哈希算法和CAZAC序列在降低系统PAPR同时增加系统的安全性，大幅提升系统性能，降低系统成本，不需要对子载波进行扰动，不需要外加设备，实施过程复杂度低，计算速度快。特别是对于局域网接入用户，用户端可以获取完整性好安全性极高的信号数据，是一种安全性好的高性能光传输方法。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于哈希算法的低PAPR高安全光传输方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、由发送端生成原始数据流，对原始数据流分别进行MD5算法和SHA-256算法，分别生成对应的随机字符串和信息摘要；
S2、将MD5算法生成的随机字符串，通过算法设计分别生成字母数组和纯数字数组；将字母数组重新组成一个字符串，定义函数将其转换成数字格式序列；生成的新的数字格式序列与纯数字数组组合，生成随机数字序列；将所述随机数字序列与选取的CAZAC序列中对应的值组成新的随机CAZAC序列，其中，使用所述随机数字序列选取CAZAC序列中对应的值；
S3、组成的新的随机CAZAC序列与原始数据流相乘生成新的数据流；
S4、原始数据流通过SHA-256算法生成的信息摘要放入步骤S3新的数据流尾部，并进行QAM映射；
S5、对QAM映射的信号处理传输后，将获得的信号进行QAM解映射；
S6、将解映射得到的信息代入SHA-256算法进行计算，生成对应的信息摘要与步骤S4原始数据流通过SHA-256算法生成的信息摘要进行比对；若比对结果为一致，则判定信息在传输过程中未被窃取或篡改，发送给对应接收端用户；如果比对结果不一致，则判定传输过程中信息被窃取或被篡改，则要求发送端信息重发或拒绝接受。
2.根据权利要求1所述的低PAPR高安全光传输方法，其特征在于，首先对生成的原始数据流进行字符格式转换，数据流转换字符格式指定成字符向量或者字符串标量，再进行MD5算法计算。
3.根据权利要求1所述的低PAPR高安全光传输方法，其特征在于，步骤S2包括：
通过MD5算法，原始数据流文本生成一串随机的32位字符串；
接着对所述随机的32位字符串使用正则匹配算法分别生成1*13的字母数组和1*19的纯数字数组；将1*13的字母数组重新组成一个字符串，定义新的函数使用num2str将其转换成数字格式序列；
生成的新的数字格式序列与1*19的纯数字数组组合，生成32位的随机数字序列。
4.根据权利要求1所述的低PAPR高安全光传输方法，其特征在于，步骤S2中，选取完备单位根序列中zadoff-chu序列的值，与MD5算法生成的随机字符串通过算法设计转换成的随机数字序列组成新的随机CAZAC序列。
5.根据权利要求4所述的低PAPR高安全光传输方法，其特征在于，CAZAC序列选择zadoff-chu序列，Ck=[C0,C1,C2…C(L-1)]，定义为：
Figure 1
其中，L为大于1的正整数，代表序列长度；P为L以内的所有素数；k为0~（L-1）的正整数；
使用生成的32位数字序列，选出CAZAC序列中对应的值，形成了一组新的随机CAZAC序列
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE004
，m-n+1=32。
6.根据权利要求1所述的低PAPR高安全光传输方法，其特征在于，步骤S4中，QAM映射具体为选取16-QAM进行调制。
7.根据权利要求6所述的低PAPR高安全光传输方法，其特征在于，16-QAM调制过程如下：
将输入比特流数据先通过星座映射到一个复平面上，每4个比特映射为一个符号，一共映射为16种调制符号；然后将符号的I、Q分量采用幅度调制，分别调制到对应的相互正交的两个载波
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE008
上，得到两路并行的调制信号；然后对两路并行的调制信号分别进行采样；
其中，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE010
是一对相互正交的载波的频率。
8.根据权利要求1所述的低PAPR高安全光传输方法，其特征在于，步骤S5中，对QAM映射的信号处理过程包括：
1）将得到的串行高速信号转换为多路并行低速子载波信号，再通过快速逆傅里叶变换得到数字时域信号；
2）将得到的数字时域信号增加循环前缀和保护间隔；
3）将增加过保护间隔的多路并行信号转换成单路串行信号送入射频上变频器进行数模转换和频谱搬移，进行上变频；将信号送入调制器进行光学调制；
4）将进行光学调制后的光信号送入信道传输；在OFDM接收端，用光电探测器接收到信道中传输的信号；送入射频下变频器解调出需要的信号；
5）去除信号保护间隔；将解调出的单路信号通过串并变换成多路子载波信号；对获得的信号进行快速傅里叶变换将时域信号转换到频域上进行解调；
6）将快速傅里叶变换后的多路并行信号转换成单路串行信号。
9.根据权利要求1所述的低PAPR高安全光传输方法，其特征在于，步骤S6中对信息摘要认证判定过程如下：
1）从QAM解映射后的信号中提取出包含发送端原始数据的部分；
2）将提取出的信号数据带入SHA-256算法进行计算，计算出对应的信息摘要；
3）从QAM解映射后的信号中提取出包含发送端初次生成的信息摘要；
4）将两次生成的信息摘要进行对比，如果摘要一致，则说明信息在传输过程中并未被篡改或者窃取，接收端同意接受；若信息摘要不一致，则说明信息在传输过程中遭到篡改或者窃取，接收端拒绝接受数据，请求发送端重发。
10.根据权利要求1所述的低PAPR高安全光传输方法，其特征在于，基于哈希算法的低PAPR高安全光传输方法是基于OFDM-PON系统。
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