CN112600663B - 一种重构混沌序列多层加密方法 - Google Patents

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CN112600663B CN202110008714.7A CN202110008714A CN112600663B CN 112600663 B CN112600663 B CN 112600663B CN 202110008714 A CN202110008714 A CN 202110008714A CN 112600663 B CN112600663 B CN 112600663B
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Abstract

本发明公开了一种重构混沌序列多层加密方法，利用DNA编码、碱基互补配对和DNA解码对一维逻辑混沌映射生成的混沌序列进行分块变换，得到重构后的混沌序列；再将经过QAM映射、子载波分配后的QAM符号用矩阵表示，用重构的混沌序列对矩阵进行混合混沌置乱扩散，动态约瑟夫斯置乱加密后发送至接收端；具体的讲，通过对混沌序列进行不同的分块，完成DNA重构混沌序列，可以增加混沌序列的随机性和抵御攻击者的能力，经过两层加密使得置乱单位不再局限于符号，并且与明文相关的扩散，增加非法攻击者窃取有效信息的难度。

Description

一种重构混沌序列多层加密方法
技术领域
本发明属于光通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种重构混沌序列多层加密方法。
背景技术
混沌效应是一种无序的动力学行为，但其无序中蕴含着有序，这正是其特殊之处。混沌行为有很多良好的特性，如混沌迭代过程无序，不可预测；输入和局部区域的小偏差会引起整个空间的变化；一个确定的过程能产生伪随机特性；一个简单过程具有非常复杂的动力学行为。而加密理论的要求是：混乱；明文与密钥之间的细微变化对密文的影响很大；确定的伪随机性；攻击复杂性。混沌的许多特性满足加密理论的要求，因此可以将混沌应用到保密通信中。
近年来，在OFDM-PON系统中采用了很多基于混沌的物理层加密方案，如星座点的置乱和排列技术(Amber Sultan,Xuelin Yang,Adnan A.E.Hajomer,Syed B.Hussain,andW.S.Hu,“Chaotic distribution of QAM symbols for secure OFDM signaltransmission,”Optical Fiber Technology,2019,47,61–65.)；基于帧交织的时频域变换(C.Zhang,Y.Yan,T.Wu,X.Zhang,G.Wen and K.Qiu,“Phase Masking and Time-FrequencyChaotic Encryption for DFMA-PON,”IEEE Photonics Journal,2018,10(4),1-9.)，对传输信号进行扰乱保证通信系统的安全性。目前也有很多多层的加密方案，如用多涡轮混沌系统对I/Q和QAM矩阵的列向量进行两层加密，实现了巨大的密钥空间。并且采用DFT预编码的方法来提高系统的PAPR性能(Yaoqiang Xiao,Zhiyi Wang,Jun Cao,Caixia Long,Yating Chen,Rui Deng,Jin Shi,Yi Liu,Jing He,“Two-level encryption forphysical-layer security in OFDM-PON based on multi-scrolls system,”OpticsCommunications,2019, 440,126-131.)。中国专利[201811512186.3]报道了一种混沌多级加密的方法，将 QAM矩阵划分为若干子矩阵，根据子矩阵的顺序，用不同的算法对其进行加密，验证了保密算法具有良好的通信性能。但是大部分方案只改变了符号到子载波或符号到时间的映射，QAM符号和QAM符号的分布没有改变，置乱对象相对单一。
脱氧核糖核酸(DNA)是一种包含四种核苷酸的分子，其中腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)和鸟嘌呤(G)和其他基本成分是核苷酸的主要成分。根据DNA 规则，A和T,C和G是互补对。DNA具有存储量大、并行量大、超低功耗等优点。针对DNA和混沌的特性，用混沌随机控制DNA编码和操作规则对传输数据位进行交叉加密，这种方法提高了混沌加密序列的复杂度和随机特性，增强了接入网物理层通信安全(C.Zhang,W.Zhang,C.Chen,X.He,and K.Qiu, “Physical-enhanced secure strategy for OFDMA-PON using chaos anddeoxyribonucleic acid encoding,”Journalof Lightwave Technology,2018,36(9),1706–1712.)。然而，DNA编码都是针对比特数据，将DNA编码用于混沌序列的重构还没有相关研究。因此，对重构混沌序列多层加密方法进行深入研究是很有必要的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种重构混沌序列多层加密方法，利用DNA编码重构混沌序列并用于混合混沌置乱扩散和动态约瑟夫斯置乱两层加密，达到了从符号到单元不重复置乱的效果，实现系统的高安全性加密，并且结合与明文相关的扩散方式，增强了系统抵御各种攻击的能力。
为实现上述发明目的，本发明一种重构混沌序列多层加密方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、OFDM通信系统中的发送端传输一段原始数据进行串并转换和QAM 调制操作，从而将原始数据从比特流转换为QAM符号的形式，用于后续的加密过程；
(2)、利用DNA编码构建OFDM通信系统加密过程中所用的混沌序列；
(2.1)、获取DNA编码序列的参考序列；
(2.1.1)、采用一维逻辑混沌映射生成数字随机的混沌序列x；
xi+1＝μxi(1-xi) (1)
其中，xi表示第i次迭代后的结果，xi∈[0,1]，μ为分岔参数；
将公式(1)多次迭代后生成的混沌序列x＝{x1,x2,…}；
(2.1.2)、根据混沌序列x中的任一值xi来获取DNA编码序列的参考值
Figure BDA00028841597600000315
Figure BDA0002884159760000031
其中，Extract(xi,a,b,c)表示返回由数字随机混沌序列元素xi的小数部分中第a，b，c位组成的整数，mod(s,t)表示返回s被t除后的其余部分，Q表示要传输的 QAM符号最大数；
混沌值xi经过公式(2)处理后，得到参考值
Figure BDA0002884159760000032
将参考值
Figure BDA0002884159760000033
转换为保留m 位的二进制序列T，作为DNA编码的参考序列；
(2.2)、获取DNA编码序列的参考互补序列；
将DNA编码的参考序列每两位按照DNA编码规则进行编码，碱基互补配对和解码的操作，获得DNA编解码后的参考互补序列
Figure BDA0002884159760000034
(2.3)、生成数字随机的混沌序列x；
利用参考互补序列
Figure BDA0002884159760000035
进行数字随机混沌序列x的重构，表示为：
Figure BDA0002884159760000036
M＝m/2 (4)
N＝kM,k＝1,2,3,… (5)
Figure BDA0002884159760000037
其中，m表示参考互补序列
Figure BDA0002884159760000038
的位数，n表示数字随机混沌序列x的长度，M 表示将数字随机混沌序列x划分的混沌序列块块数，α表示混沌序列块移动的位数，0＜α＜N/M，xq表示第q块混沌序列，
Figure BDA0002884159760000039
表示xq重构后的混沌序列，
Figure BDA00028841597600000310
表示参考互补序列
Figure BDA00028841597600000311
中的两位比特；
(2.4)、将变换后的混沌序列块按原分块顺序进行拼接，得到重构的混沌序列
Figure BDA00028841597600000312
(2.5)、同理，按照步骤(2.1)～(2.4)所述方法分别生成加密所需的重构混沌序列
Figure BDA00028841597600000313
和
Figure BDA00028841597600000314
(3)、在OFDM通信系统的第一层加密过程采用混合混沌置乱扩散加密方法；
(3.1)、生成QAM矩阵；
将步骤(1)经过QAM调制后生成的QAM符号进行子载波分配，子载波分配后的QAM符号可以用矩阵P＝F×N来表示，F代表子载波数，N代表每个子载波上的QAM符号数；
(3.2)、单次不重复行置乱；
将
Figure BDA0002884159760000041
划分成F个区间，并对每个区间按升序从1到F进行编号，任意截取混沌序列
Figure BDA0002884159760000042
中长度为F的子序列
Figure BDA0002884159760000043
将子序列
Figure BDA0002884159760000044
中的值映射在第Fκ个区间中，按照映射先后顺序对区间重新排序，生成新的行索引向量Ix；
Ix＝exchange(F1,F2,…,Fκ,…,FF) (7)
其中，exchange(·)表示返回通过映射重新排序的行索引，κ＝1,2,…,F表示该行的初始索引；
(3.3)、循环行元素扩散；
对混沌序列
Figure BDA0002884159760000045
进行二值化处理，得均匀分布的数字混沌序列
Figure BDA0002884159760000046
Figure BDA0002884159760000047
Figure BDA0002884159760000048
截取数字混沌序列
Figure BDA0002884159760000049
中长度为N的子序列
Figure BDA00028841597600000410
使子序列
Figure BDA00028841597600000411
中的元素对应矩阵 P中的行元素，然后将对应“1”的元素进行如下扩散操作；
L'1＝L1 (9)
Figure BDA00028841597600000412
其中，Lκ,j表示第κ行中对应“1”的第j个元素，L'κ,j表示第κ行中已经完成扩散加密后的第j个元素，其位置保持不变，κ＝1,2,…,F，j∈[1,N]，
Figure BDA00028841597600000413
表示执行两个元素间的位异或操作；
当矩阵P的第一行完成扩散后，对子序列
Figure BDA00028841597600000418
进行循环操作生成新的序列
Figure BDA00028841597600000419
用于矩阵P的第二行扩散操作：
Figure BDA00028841597600000414
其中，rcycle(·)表示返回子序列
Figure BDA00028841597600000415
右移循环d位后的新序列
Figure BDA00028841597600000416
Figure BDA00028841597600000417
表示第κ行扩散所用的子序列，κ＝1,2,…,F；
将扩散循环操作重复进行，直至矩阵的最后一行也完成扩散操作；
(3.4)、单次不重复列置乱；
按照步骤(3.2)所述方法将
Figure BDA0002884159760000051
划分成N个区间，并对每个区间按升序从1到N进行编号，任意截取对混沌序列
Figure BDA0002884159760000052
中长度为N的子序列
Figure BDA0002884159760000053
将子序列
Figure BDA0002884159760000054
中的值映射在第Nj个区间中，按照映射先后顺序对区间重新排序，生成新的列索引向量Iy；
Iy＝exchange(N1,N2,…,Nj,…,NN) (12)
其中，j＝1,2,…,N表示该列的初始索引；
(3.5)、循环列元素扩散
按照步骤(3.3)所述方法将混沌序列
Figure BDA0002884159760000055
进行二值化操作，得均匀分布的数字混沌序列
Figure BDA0002884159760000056
然后截取数字混沌序列
Figure BDA0002884159760000057
中长度为F的子序列
Figure BDA0002884159760000058
使子序列
Figure BDA0002884159760000059
中的元素对应矩阵P中的列元素，最后将对应“1”的元素进行如下扩散操作；
R′1＝R1 (13)
Figure BDA00028841597600000510
其中，R'κ,j表示第j列中对应“1”的第κ个元素，R'κ,j表示第j列中已经完成扩散加密后的第κ元素，其位置保持不变；j＝1,2,…,N，κ∈[1,F]；
当矩阵P的第一列完成扩散后，对子序列
Figure BDA00028841597600000511
进行循环操作生成新的序列
Figure BDA00028841597600000512
用于矩阵P的第二列扩散操作：
Figure BDA00028841597600000513
其中，rcycle(·)表示返回子序列
Figure BDA00028841597600000514
右移循环d位后的新序列
Figure BDA00028841597600000515
Figure BDA00028841597600000516
表示第j 列扩散所用的子序列，j＝1,2,…,N；
将扩散循环操作重复进行，直至矩阵的最后一列也完成扩散操作；
(4)、在OFDM通信系统的第二层加密过程采用动态约瑟夫斯置乱加密；
(4.1)、将步骤(3)加密后的矩阵P进行单元划分，设划分后每个单元包含的子载波数是f，每个子载波上的符号数是s；
f＝g(mod(F,g)＝0),g＝1,2,…,F (16)
s＝h(mod(N,h)＝0),h＝1,2,…,N (17)
划分后，子载波单元的数量是Ncar＝F/f，符号单元的数量是Nsym＝N/n；
(4.2)、利用混沌序列
Figure BDA0002884159760000061
中的任一混沌值
Figure BDA0002884159760000062
选取约瑟夫斯遍历的每一轮计数周期t；
Figure BDA0002884159760000063
其中，
Figure BDA0002884159760000064
表示返回混沌值
Figure BDA0002884159760000065
小数部分中的第e位整数；
(4.3)、将划分后的矩阵
Figure BDA0002884159760000066
按列优先顺序转为一个长为Ncar×Nsym的一维单元序列，然后将其进行动态约瑟夫斯置乱；
sq＝JosephusTraverse(K,p,t) (19)
其中，K表示OFDM通信系统发送端传输的原始数据的长度，p表示在这段原始数据中选择开始报数的位置，p∈[1,K]；
(5)、将生成的新单元序列按列优先顺序重新排列成大小为Ncar×Nsym的加密矩阵，经过IFFT，插入循环前缀，并串转换的操作后通过光纤传输到接收端。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种重构混沌序列多层加密方法，利用DNA编码、碱基互补配对和 DNA解码对一维逻辑混沌映射生成的混沌序列进行分块变换，得到重构后的混沌序列；再将经过QAM映射、子载波分配后的QAM符号用矩阵表示，用重构的混沌序列对矩阵进行混合混沌置乱扩散，动态约瑟夫斯置乱加密后发送至接收端；具体的讲，通过对混沌序列进行不同的分块，完成DNA重构混沌序列，可以增加混沌序列的随机性和抵御攻击者的能力，经过两层加密使得置乱单位不再局限于符号，并且与明文相关的扩散，增加非法攻击者窃取有效信息的难度。
同时，本发明一种重构混沌序列多层加密方法还具有以下有益效果：
(1)、本发明中采用的DNA重构混沌序列，增加了混沌序列的随机性，解决了低维混沌映射安全性低，高维混沌映射实现复杂的问题，通过分块增加了攻击者破坏安全传输的试验次数，加大攻击者进行穷举攻击的难度；
(2)、本发明中采用的混合混沌置乱扩散和动态约瑟夫斯置乱，从符号到单元的单次不重复的置乱过程，保证了加密算法具有高安全性；
(3)、本发明中结合与明文相关的扩散方式，增强了系统抵御攻击者进行已知/选择明文攻击的能力，从而实现安全的信息传输。
附图说明
图1是本发明一种重构混沌序列多层加密方法流程图；
图2是是本发明实施例中一维逻辑混沌映射分岔图；
图3是本发明实施例中DNA重构混沌序列示例图；
图4是本发明实例中重构的混沌序列与原混沌序列对比图；
图5是本发明实施例中的行元素置乱扩散示例图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
为了方便描述，先对具体实施方式中出现的相关专业术语进行说明：
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)：正交频分复用；
QAM(Quadrature Amplitude Modulation)：正交幅度调制；
PRBS(Pseudo-Random Binary Sequence)：伪随机二进制序列；
S/P(Serial-to-Parallel)：串并转换；
P/S(Parallel-to-Serial)：并串转换；
IFFT(Invert Fast Fourier Transformation)：反向快速傅里叶变换；
FFT(Fast Fourier Transformation)：快速傅里叶变换；
CP(Cyclic Prefix)：循环前缀；
DNA(DeoxyriboNucleic Acid)：脱氧核糖核酸。
图1是本发明基于OFDM的融合接入网系统一种具体实施方式架构图。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种重构混沌序列多层加密方法，包括以下步骤：
S1、OFDM通信系统中的发送端传输一段原始数据进行串并转换和QAM 调制操作，从而将原始数据从比特流转换为QAM符号的形式，用于后续的加密过程；
S2、利用DNA编码构建OFDM通信系统加密过程中所用的混沌序列；
S2.1、获取DNA编码序列的参考序列；
S2.1.1、采用一维逻辑混沌映射生成数字随机的混沌序列x；
xi+1＝μxi(1-xi) (1)
其中，xi表示第i次迭代后的结果，xi∈[0,1]，μ为分岔参数，μ∈(3.57,4]在本实施例中取μ＝4，一维逻辑混沌映射分岔图如图2所示；
将公式(1)多次迭代后生成的混沌序列x＝{x1,x2,…}；
S2.1.2、根据混沌序列x中的任一值xi来获取DNA编码序列的参考值
Figure BDA0002884159760000081
Figure BDA0002884159760000082
其中，Extract(xi,a,b,c)表示返回由数字随机混沌序列元素xi的小数部分中第 a＝12，b＝13，c＝14位组成的整数，mod(s,t)表示返回s被t除后的其余部分，Q表示要传输的QAM符号最大数，本实例中选取Q为200；
混沌值xi经过公式(2)处理后，得到参考值
Figure BDA0002884159760000083
将参考值
Figure BDA0002884159760000084
转换为保留m 位的二进制序列T，作为DNA编码的参考序列；
S2.2、获取DNA编码序列的参考互补序列；
将DNA编码的参考序列每两位按照DNA编码规则进行编码，碱基互补配对和解码的操作，获得DNA编解码后的参考互补序列
Figure BDA0002884159760000085
S2.3、生成数字随机的混沌序列x；
利用参考互补序列
Figure BDA0002884159760000086
进行数字随机混沌序列x的重构，表示为：
Figure BDA0002884159760000087
M＝m/2 (4)
N＝kM,k＝1,2,3,… (5)
Figure BDA0002884159760000088
其中，m表示参考互补序列
Figure BDA0002884159760000089
的位数，n表示数字随机混沌序列x的长度，M 表示将数字随机混沌序列x划分的混沌序列块块数，α表示混沌序列块移动的位数，0＜α＜N/M，xq表示第q块混沌序列，
Figure BDA0002884159760000091
表示xq重构后的混沌序列，
Figure BDA0002884159760000092
表示参考互补序列
Figure BDA0002884159760000093
中的两位比特；本实例中设置m＝8，M＝4，n＝800，α＝10；
每块由参考互补序列中的两位比特进行控制变换，如果
Figure BDA0002884159760000094
则原混沌序列块波形保持不变；如果
Figure BDA0002884159760000095
则原混沌序列块波形右移α位；如果
Figure BDA0002884159760000096
则原混沌序列块波形左移α位；如果
Figure BDA0002884159760000097
则原混沌序列块波形垂直翻转。最后，将变换后的混沌序列块按原分块顺序进行拼接得到重构的混沌序列，DNA 重构混沌序列示例图如图3所示。
S2.4、将变换后的混沌序列块按原分块顺序进行拼接，得到重构的混沌序列
Figure BDA0002884159760000098
S2.5、在整个加密过程中共需要5个重构的混沌序列
Figure BDA0002884159760000099
和
Figure BDA00028841597600000910
选取5个混沌初始值： [0.625698741145396,0.755098003973841,0.598632578521655,0.425685632554689, 0.356987451265859]，按照步骤S2.1～S2.4所述方法分别生成加密所需的重构混沌序列
Figure BDA00028841597600000911
和
Figure BDA00028841597600000912
经过重构的混沌序列与原混沌序列对比图如图4所示；
S3、在OFDM通信系统的第一层加密过程采用混合混沌置乱扩散加密方法；
S3.1、生成QAM矩阵；
将步骤S1经过QAM调制后生成的QAM符号进行子载波分配，子载波分配后的QAM符号可以用矩阵P＝F×N来表示，F代表子载波数，N代表每个子载波上的QAM符号数，在本实施例中，取F＝120，N＝200；
S3.2、单次不重复行置乱；
将
Figure BDA00028841597600000913
划分成F个区间，并对每个区间按升序从1到F进行编号，任意截取混沌序列
Figure BDA00028841597600000914
中长度为F的子序列
Figure BDA00028841597600000915
将子序列
Figure BDA00028841597600000916
中的值映射在第Fκ个区间中，按照映射先后顺序对区间重新排序，生成新的行索引向量Ix；
Ix＝exchange(F1,F2,…,Fκ,…,FF) (7)
其中，exchange(·)表示返回通过映射重新排序的行索引，κ＝1,2,…,F表示该行的初始索引；
S3.3、循环行元素扩散；
对混沌序列
Figure BDA0002884159760000101
进行二值化处理，得均匀分布的数字混沌序列
Figure BDA0002884159760000102
Figure BDA0002884159760000103
Figure BDA0002884159760000104
截取数字混沌序列
Figure BDA0002884159760000105
中长度为N的子序列
Figure BDA0002884159760000106
使子序列
Figure BDA0002884159760000107
中的元素对应矩阵 P中的行元素，然后将对应“1”的元素进行如下扩散操作；
L'1＝L1 (9)
Figure BDA0002884159760000108
其中，Lκ,j表示第κ行中对应“1”的第j个元素，L'κ,j表示第κ行中已经完成扩散加密后的第j个元素，其位置保持不变，κ＝1,2,…,F，j∈[1,N]，
Figure BDA0002884159760000109
表示执行两个元素间的位异或操作；
当矩阵P的第一行完成扩散后，对子序列
Figure BDA00028841597600001023
进行循环操作生成新的序列
Figure BDA00028841597600001024
用于矩阵P的第二行扩散操作：
Figure BDA00028841597600001010
其中，rcycle(·)表示返回子序列
Figure BDA00028841597600001011
右移循环d＝10位后的新序列
Figure BDA00028841597600001012
Figure BDA00028841597600001013
表示第κ行扩散所用的子序列，κ＝1,2,…,F；
将扩散循环操作重复进行，直至矩阵的最后一行也完成扩散操作，行元素置乱扩散示例图如图5所示；
S3.4、单次不重复列置乱；
按照步骤S3.2所述方法将
Figure BDA00028841597600001014
划分成N个区间，并对每个区间按升序从 1到N进行编号，任意截取对混沌序列
Figure BDA00028841597600001015
中长度为N的子序列
Figure BDA00028841597600001016
将子序列
Figure BDA00028841597600001017
中的值映射在第Nj个区间中，按照映射先后顺序对区间重新排序，生成新的列索引向量Iy；
Iy＝exchange(N1,N2,…,Nj,…,NN) (12)
其中，j＝1,2,…,N表示该列的初始索引；
S3.5、循环列元素扩散
按照步骤S3.3所述方法将混沌序列
Figure BDA00028841597600001018
进行二值化操作，得均匀分布的数字混沌序列
Figure BDA00028841597600001019
然后截取数字混沌序列
Figure BDA00028841597600001020
中长度为F的子序列
Figure BDA00028841597600001021
使子序列
Figure BDA00028841597600001022
中的元素对应矩阵P中的列元素，最后将对应“1”的元素进行如下扩散操作；
R′1＝R1 (13)
Figure BDA0002884159760000111
其中，R'κ,j表示第j列中对应“1”的第κ个元素，R'κ,j表示第j列中已经完成扩散加密后的第κ元素，其位置保持不变；j＝1,2,…,N，κ∈[1,F]；
当矩阵P的第一列完成扩散后，对子序列
Figure BDA0002884159760000112
进行循环操作生成新的序列
Figure BDA0002884159760000113
用于矩阵P的第二列扩散操作：
Figure BDA0002884159760000114
其中，rcycle(·)表示返回子序列
Figure BDA0002884159760000115
右移循环d＝10位后的新序列
Figure BDA0002884159760000116
Figure BDA0002884159760000117
表示第j列扩散所用的子序列，j＝1,2,…,N；
将扩散循环操作重复进行，直至矩阵的最后一列也完成扩散操作；
S4、在OFDM通信系统的第二层加密过程采用动态约瑟夫斯置乱加密；
S4.1、将步骤(3)加密后的矩阵P进行单元划分，设划分后每个单元包含的子载波数是f，每个子载波上的符号数是s；
f＝g(mod(F,g)＝0),g＝1,2,…,F (16)
s＝h(mod(N,h)＝0),h＝1,2,…,N (17)
划分后，子载波单元的数量是Ncar＝F/f，符号单元的数量是Nsym＝N/n；本实例中选取f＝20，s＝40划分后，Ncar＝6，Nsym＝5；
S4.2、利用混沌序列
Figure BDA0002884159760000118
中的任一混沌值
Figure BDA0002884159760000119
选取约瑟夫斯遍历的每一轮计数周期t；
Figure BDA00028841597600001110
其中，
Figure BDA00028841597600001111
表示返回混沌值
Figure BDA00028841597600001112
小数部分中的第e＝11位整数；
S4.3、将划分后的矩阵
Figure BDA00028841597600001113
按列优先顺序转为一个长为6×5的一维单元序列，然后将其进行动态约瑟夫斯置乱；
sq＝JosephusTraverse(K,p,t) (19)
其中，K表示OFDM通信系统发送端传输的原始数据的长度，p表示在这段原始数据中选择开始报数的位置，p∈[1,K]，本实例中取K＝30；
S5、将生成的新单元序列按列优先顺序重新排列成大小为6×5的加密矩阵，经过IFFT，插入循环前缀，并串转换的操作后通过光纤传输到接收端。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种重构混沌序列多层加密方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、OFDM通信系统中的发送端传输一段原始数据进行串并转换和QAM调制操作，从而将原始数据从比特流转换为QAM符号的形式，用于后续的加密过程；
(2)、利用DNA编码构建OFDM通信系统加密过程中所用的混沌序列；
(2.1)、获取DNA编码序列的参考序列；
(2.1.1)、采用一维逻辑混沌映射生成数字随机的混沌序列x；
xi+1＝μxi(1-xi) (1)
其中，xi表示第i次迭代后的结果，xi∈[0,1]；
将公式(1)多次迭代后生成的混沌序列x＝{x1,x2,…}；
(2.1.2)、根据混沌序列x中的任一值xi来获取DNA编码序列的参考值
Figure FDA0002884159750000011
Figure FDA0002884159750000012
其中，Extract(xi,a,b,c)表示返回由数字随机混沌序列元素xi的小数部分中第a，b，c位组成的整数，mod(s,t)表示返回s被t除后的其余部分，Q表示要传输的QAM符号最大数；
混沌值xi经过公式(2)处理后，得到参考值
Figure FDA0002884159750000013
将参考值
Figure FDA0002884159750000014
转换为保留m位的二进制序列T，作为DNA编码的参考序列；
(2.2)、获取DNA编码序列的参考互补序列；
将DNA编码的参考序列每两位按照DNA编码规则进行编码，碱基互补配对和解码的操作，获得DNA编解码后的参考互补序列
Figure FDA0002884159750000015
(2.3)、生成数字随机的混沌序列x；
利用参考互补序列
Figure FDA0002884159750000016
进行数字随机混沌序列x的重构，表示为：
Figure FDA0002884159750000017
M＝m/2 (4)
N＝kM,k＝1,2,3,… (5)
Figure FDA0002884159750000021
其中，m表示参考互补序列
Figure FDA0002884159750000022
的位数，n表示数字随机混沌序列x的长度，M表示将数字随机混沌序列x划分的混沌序列块块数，α表示混沌序列块移动的位数，0＜α＜N/M，xq表示第q块混沌序列，
Figure FDA0002884159750000023
表示xq重构后的混沌序列，
Figure FDA0002884159750000024
表示参考互补序列
Figure FDA0002884159750000025
中的两位比特；
(2.4)、将变换后的混沌序列块按原分块顺序进行拼接，得到重构的混沌序列
Figure FDA0002884159750000026
(2.5)、同理，按照步骤(2.1)～(2.4)所述方法分别生成加密所需的重构混沌序列
Figure FDA0002884159750000027
和
Figure FDA0002884159750000028
(3)、在OFDM通信系统的第一层加密过程采用混合混沌置乱扩散加密方法；
(3.1)、生成QAM矩阵；
将步骤(1)经过QAM调制后生成的QAM符号进行子载波分配，子载波分配后的QAM符号可以用矩阵P＝F×N来表示，F代表子载波数，N代表每个子载波上的QAM符号数；
(3.2)、单次不重复行置乱；
将
Figure FDA0002884159750000029
划分成F个区间，并对每个区间按升序从1到F进行编号，任意截取混沌序列
Figure FDA00028841597500000210
中长度为F的子序列
Figure FDA00028841597500000211
将子序列
Figure FDA00028841597500000212
中的值映射在第Fκ个区间中，按照映射先后顺序对区间重新排序，生成新的行索引向量Ix；
Ix＝exchange(F1,F2,…,Fκ,…,FF) (7)
其中，exchange(·)表示返回通过映射重新排序的行索引，κ＝1,2,…,F表示该行的初始索引；
(3.3)、循环行元素扩散；
对混沌序列
Figure FDA00028841597500000213
进行二值化处理，得均匀分布的数字混沌序列
Figure FDA00028841597500000214
Figure FDA00028841597500000215
Figure FDA0002884159750000031
截取数字混沌序列
Figure FDA0002884159750000032
中长度为N的子序列
Figure FDA0002884159750000033
使子序列
Figure FDA0002884159750000034
中的元素对应矩阵P中的行元素，然后将对应“1”的元素进行如下扩散操作；
L'1＝L1 (9)
Figure FDA0002884159750000035
其中，Lκ,j表示第κ行中对应“1”的第j个元素，L'κ,j表示第κ行中已经完成扩散加密后的第j个元素，其位置保持不变，κ＝1,2,…,F，j∈[1,N]，
Figure FDA0002884159750000036
表示执行两个元素间的位异或操作；
当矩阵P的第一行完成扩散后，对子序列
Figure FDA0002884159750000037
进行循环操作生成新的序列
Figure FDA0002884159750000038
用于矩阵P的第二行扩散操作：
Figure FDA0002884159750000039
其中，rcycle(·)表示返回子序列
Figure FDA00028841597500000310
右移循环d位后的新序列
Figure FDA00028841597500000311
Figure FDA00028841597500000312
表示第κ行扩散所用的子序列，κ＝1,2,…,F；
将扩散循环操作重复进行，直至矩阵的最后一行也完成扩散操作；
(3.4)、单次不重复列置乱；
按照步骤(3.2)所述方法将
Figure FDA00028841597500000313
划分成N个区间，并对每个区间按升序从1到N进行编号，任意截取对混沌序列
Figure FDA00028841597500000314
中长度为N的子序列
Figure FDA00028841597500000315
将子序列
Figure FDA00028841597500000316
中的值映射在第Nj个区间中，按照映射先后顺序对区间重新排序，生成新的列索引向量Iy；
Iy＝exchange(N1,N2,…,Nj,…,NN) (12)
其中，j＝1,2,…,N表示该列的初始索引；
(3.5)、循环列元素扩散
按照步骤(3.3)所述方法将混沌序列
Figure FDA00028841597500000317
进行二值化操作，得均匀分布的数字混沌序列
Figure FDA00028841597500000318
然后截取数字混沌序列
Figure FDA00028841597500000319
中长度为F的子序列
Figure FDA00028841597500000320
使子序列
Figure FDA00028841597500000321
中的元素对应矩阵P中的列元素，最后将对应“1”的元素进行如下扩散操作；
R′1＝R1 (13)
Figure FDA00028841597500000322
其中，R′κ,j表示第j列中对应“1”的第κ个元素，R'κ,j表示第j列中已经完成扩散加密后的第κ元素，其位置保持不变；j＝1,2,…,N，κ∈[1,F]；
当矩阵P的第一列完成扩散后，对子序列
Figure FDA0002884159750000041
进行循环操作生成新的序列
Figure FDA0002884159750000042
用于矩阵P的第二列扩散操作：
Figure FDA0002884159750000043
其中，rcycle(·)表示返回子序列
Figure FDA0002884159750000044
右移循环d位后的新序列
Figure FDA0002884159750000045
Figure FDA0002884159750000046
表示第j列扩散所用的子序列，j＝1,2,…,N；
将扩散循环操作重复进行，直至矩阵的最后一列也完成扩散操作；
(4)、在OFDM通信系统的第二层加密过程采用动态约瑟夫斯置乱加密；
(4.1)、将步骤(3)加密后的矩阵P进行单元划分，设划分后每个单元包含的子载波数是f，每个子载波上的符号数是s，那么划分后，子载波单元的数量是Ncar＝F/f，符号单元的数量是Nsym＝N/n；
(4.2)、利用混沌序列
Figure FDA0002884159750000047
中的任一混沌值
Figure FDA0002884159750000048
选取约瑟夫斯遍历的每一轮计数周期t；
Figure FDA0002884159750000049
其中，
Figure FDA00028841597500000410
表示返回混沌值
Figure FDA00028841597500000411
小数部分中的第e位整数；
(4.3)、将划分后的矩阵
Figure FDA00028841597500000412
按列优先顺序转为一个长为Ncar×Nsym的一维单元序列，然后将其进行动态约瑟夫斯置乱；
sq＝JosephusTraverse(K,p,t) (17)
其中，K表示OFDM通信系统发送端传输的原始数据的长度，p表示在这段原始数据中选择开始报数的位置，p∈[1,K]；
(5)、将生成的新单元序列按列优先顺序重新排列成大小为Ncar×Nsym的加密矩阵，经过IFFT，插入循环前缀，并串转换的操作后通过光纤传输到接收端。
2.根据权利要求1所述的一种重构混沌序列多层加密方法，其特征在于，所述子载波数是f满足：
f＝g(mod(F,g)＝0),g＝1,2,…,F
每个子载波上的符号数是s满足：
s＝h(mod(N,h)＝0),h＝1,2,…,N。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112995089B (zh) * 2021-05-19 2021-07-27 南京信息工程大学 基于混沌映射的低复杂度选择映射法改进方法
CN113949503B (zh) * 2021-09-16 2024-01-23 中国人民解放军空军工程大学 基于dna动态编码的wfrft安全通信方法
CN114401512A (zh) * 2021-12-21 2022-04-26 深圳信恳智能电子有限公司 5g网络中基于混沌置乱与索引调制的多天线安全通信系统
CN114302270B (zh) * 2021-12-29 2024-02-09 杭州电子科技大学 基于多混沌系统与分层置乱的ofdm-pon物理层加密方法及系统
CN114650125A (zh) * 2022-01-20 2022-06-21 南京信息工程大学 一种联合Polar编码与混沌加密的信号传输方法及系统
CN116318694B (zh) * 2023-05-19 2023-08-22 南京信息工程大学 基于功分复用四维区域联合加密的信息传输方法及系统
CN117221013B (zh) * 2023-11-08 2024-02-06 深圳市地铁集团有限公司 基于arm技术体系的多模式车票处理系统
CN117201020B (zh) * 2023-11-08 2024-01-26 陕西元镁体信息科技有限公司 一种网络信息安全加密方法及系统

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106952213A (zh) * 2017-03-16 2017-07-14 郑州轻工业学院 基于比特置换与动态dna编码的混沌图像加密方法
CN109918923A (zh) * 2019-01-25 2019-06-21 哈尔滨理工大学 一种基于dna编码的多通道彩色图像混沌加密方法
CN111105339A (zh) * 2019-12-23 2020-05-05 郑州轻工业大学 一种基于多维混沌系统和约瑟夫置乱的图像加密方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106952213A (zh) * 2017-03-16 2017-07-14 郑州轻工业学院 基于比特置换与动态dna编码的混沌图像加密方法
CN109918923A (zh) * 2019-01-25 2019-06-21 哈尔滨理工大学 一种基于dna编码的多通道彩色图像混沌加密方法
CN111105339A (zh) * 2019-12-23 2020-05-05 郑州轻工业大学 一种基于多维混沌系统和约瑟夫置乱的图像加密方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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