CN112671529B - 一种基于星座扰动的少模p比特高安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于星座扰动的少模P比特高安全传输方法，首先对将数据映射到三维空间，并且在三维空间上进行概率成形处理，然后对三维星座进行保留概率成形特性的旋转，实现对数据的第一层加密。接着在信号频域上进行第二次加密，通过对OFDM系统中的每一个子载波进行扰动掩盖，进一步加强系统的安全性。加密算法是基于陈氏混沌系统产生扰动因子，在数字信号处理阶段对数据进行加密。该方法在概率成形的基础上，利用陈氏混沌系统对通信星座与子载波进行扰动，在降低系统平均发射功率与提高频谱效率的同时，实现高安全加密。与传统的传输方案相比，具有低能耗、易实行、高效率等多种优势，能很好的利用在P比特传输系统中。

Description

一种基于星座扰动的少模P比特高安全传输方法

技术领域

本发明涉及P比特传输技术领域，具体的说是一种基于星座扰动的少模P比特高安全传输方法。

背景技术

近年来，由于信息技术的高速发展，数据通信带宽也呈爆炸式增长，据统计，光纤通信网络带宽每年以20%~40%的速率持续增长，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。并且随着即将普及的5G网络，通信领域将更为广泛，有更多的新空间需要拓展，更多的新业务将被开发。这些都使得通信技术对频谱速率、用户体验速率、峰值速率等指标的要求越来越高。为了落实“宽带中国”战略实施，突破当前光网络传输容量极限，最大限度提升传输容量和频谱效率，提升我国在超大容量光传输系统领域的技术水平，P比特级光传输系统的研究势在必行。

正如我们所知的，采用空分复用（SDM）系统来增加并充分利用空间维度是进一步提高光纤通信容量的唯一手段。其中，模分复用（MDM）技术由于少模光纤技术的成熟，被广泛使用在SDM系统中。模分复用的原理是利用少模光纤中有限的正交模式，将信息在不同的信道中进行传输，从而使通信系统的容量得到极大的提升。并且近年来，正交频分复用(OFDM)技术由于其高效的抗光纤色散能力、显著的系统灵活性，得到了广泛的应用，目前通过在OFDM系统中结合MDM技术已经实现了T比特以及P比特级的光传输系统。

此外，概率成形（PS）技术由于其可以增加频谱效率以及降低平均发射功率的能力，近年来受到广泛的关注。与传统的均匀分布的星座映射不同，PS技术以非等概率分布来发送信号点，发射所需能量较低的内圈星座点以更高的概率映射，而发射能量较高的外圈星座点的映射概率较低，从而使星座图呈非均匀分布，因此可以降低整体的发射功率。

而随着生活的信息化，通信数据的安全性也得到越来越多的关注。在部分通信过程中，由于信息的特殊性，对数据进行加密是至关重要的步骤。数据加密技术是指利用相关的算法将明文信息转换为密文进行传输的技术，发送端或者接收端共享密钥实现对数据的加密以及解密。其中，混沌加密算法由于其高敏感性以及结果确定等特征，被认为是一种很有前途的加密方案。并且由于在OFDM系统中，在数字信号处理模块就可以完成信号的产生、调制等过程，这为在数字信号处理的过程中利用混沌加密技术来提高OFDM系统的安全提供了可行性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于星座扰动的少模P比特高安全传输方法，该方法将混沌加密算法与概率成形技术相结合，在保留概率成形的特性的同时，实现对信息的加密。并且通过对OFDM系统中子载波进行扰动，进一步进行加密，在基于MDM-OFDM的P比特传输系统中实现超大数据量的高安全传输。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于星座扰动的少模P比特高安全传输方法，其特征在于：

步骤1，初始数据通过奇信道和偶信道中两个频率差为

的激光器利用光频梳技 术产生间隔为

的光频梳后输出，再通过耦合器交织再一起，形成频率间隔为

的密 集光载波；

步骤2，通过分束器将光分为N路，再将每一路通过分束器二次分光成M路，分别通过不同距离的光纤使光信号互不相关后，进行OFDM编码调制的同时进行加密；

步骤3，调制完成后对M路光信号进行模分复用，并通过光纤输出；

步骤4，接收端将光信号分离后进行模式解复用后，分别进行相干接收，最后在数字域对信号进行解密和解调。

步骤2中，对分光后的信号进行三维空间映射，对映射进行概率成形处理形成星座映射，对星座映射进行旋转实现第一次加密；对第一次加密后的数据通过离散傅里叶变换后进行子载波映射以及子载波扰动完成第二次加密。

星座映射通过旋转实现第一次加密具体步骤如下：

基于初始密钥进行陈氏混沌映射，生成旋转因子：

(1)

如公式(1)所示，通过初始参数(a,b,c,x,y,z)来驱动混沌系统，(a,b,c,x,y,z)即 为初始密钥，默认发送端与接收端均已知初始密钥；

、

、

表示对t求导，其中t代表一 个正的步长，即 dx/dt,， dy/dt,，dz/dt；

通过混沌映射，可以形成三组混沌序列

，首先选取混沌序列

，通过其再生成三组子序列

，分别代表X，Y，Z三个空间方向， 按顺序读取三个序列中的值生成旋转因子，即

；其中

代表将X 轴方向第

层顺时针旋转90度、

代表将Y轴方向第

层顺时针旋转90度、

代表 将Z轴方向第

层顺时针旋转90度；

通过旋转后得到的新的符号数据，将数据信息变换为I/Q两路后进行传输。

第二次加密具体步骤如下：

假设

为经过初次加密后获得的符号矩阵，通过对矩阵进行

点傅里叶处理 后得到

，离散傅里叶处理的点数满足

，其中M表示总的子载波数；接着将 获得的符号矩阵

映射到子载波上，获得新的输出矩阵

，其中l表示每个载波 上的符号数，m表示总的载波数；

对于混沌映射所产生的其他两个混沌序列

，选取合适的长度，与子载波 总数和总符号数匹配，改写为

，其可以表示为：

（2）

通过混沌序列分别产生两组位移矢量

和

，通过位移矢量在频域上改变子 载波的位置；最后在通过离散逆傅里叶变换将信号变换到时域上，此时完成了第二次加密， 最终OFDM时域信号可以表示为：

（3）

其中

表示第m个子载波上的第l个符号，

是第m个载波的频率，

是符 号持续的时间。

步骤4中，通过相干接收后，首先通过DFT将数据变换到频域后，由于加密过程中对子载波位置进行了置换，通过密钥进行同样的混沌映射得到相同的位移矢量，将子载波与子载波上的符号归位；子载波归位后进行解映射，再通过IDFT将数据变换到时域，接下来对星座映射进行还原，完成解密；最后利用最小距离判别法进行星座接映射，通过选择与通过传输后的星座点距离最小的符号点，进行解调，最终恢复发端发送的数据信号。

该种基于星座扰动的少模P比特高安全传输方法能够达到的有益效果为：通过三维星座旋转与子载波扰动，在OFDM系统中实现了高安全的数据加密，并且适用于基于OFDM与MDM的P比特传输系统。该基于星座扰动的少模P比特高安全传输方法在概率成形的基础上，利用陈氏混沌系统对通信星座与子载波进行扰动，在降低系统平均发射功率与提高频谱效率的同时，实现高安全加密，与传统的传输方案相比，本方案同时具有低能耗、易实行、高效率等多种优势，能很好的利用在P比特传输系统中。

附图说明

图1是本发明一种基于星座扰动的少模P比特高安全传输方法的传输系统示意图。

图2是本发明一种基于星座扰动的少模P比特高安全传输方法中编码调制流程示意图。

图3是本发明一种基于星座扰动的少模P比特高安全传输方法中星座映射示意图。

图4是本发明一种基于星座扰动的少模P比特高安全传输方法中陈氏混沌映射示意图。

图5是本发明一种基于星座扰动的少模P比特高安全传输方法中星座旋转原理示意。

图6是本发明一种基于星座扰动的少模P比特高安全传输方法中星座根据旋转因子旋转示意图。

图7是本发明一种基于星座扰动的少模P比特高安全传输方法中19芯6模光纤横截面示意图。

图8是本发明一种基于星座扰动的少模P比特高安全传输方法中解调流程示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述。

一种基于星座扰动的少模P比特高安全传输方法，其传输系统如图1所示，包括多 载波产生模块、编码调制模块、空分复用模块以及相干接收模块，其中多载波产生模块包括 奇信道和偶信道，初始数据通过奇信道和偶信道中两个频率差为

的激光器利用光频梳 技术产生间隔为

的光频梳后输出，再通过耦合器交织再一起，形成频率间隔为

的 密集光载波；接着通过分束器将光分为19路，之后再将每一路二次分光成6路，分别通过不 同距离的光纤使光信号互不相关后，进行OFDM编码调制的同时完成加密。调制完成后对6路 光信号进行模分复用，可以选择

六个模式进行 复用。之后将所有光信号通过19芯6模光纤进行传输，接收端将光信号分离后进行模式解复 用后，分别进行相干接收，最后在数字域对信号进行解密和解调。

本实施例中，加密编码调制过程如图2所示，基于星座旋转与子载波扰动的加密编码调制过程具体为：初始数据首先通过串并变换为多路后，进行映射。与传统的二维空间调制不同，本申请采用三维空间映射的方式，并且对映射进行概率成形处理，能够获得比二维空间调制更高的频谱效率和能量效率。

例如，可以将每六个比特二进制序列映射到一个三维信号点，一共64个符号点构 成一个4*4*4的立方体，其坐标分别为(1,1,1)、(3,3,3)、(-1,-1,-1)、(-3,-3,-3)等，其星 座图如图3中的（a）图所示；对映射进行概率成形处理时，以各星座点到原点的距离来确定 概率分布，并使其满足高斯分布，经过计算，距离为

的各星座点的概率为191/4041，距 离为

的各星座点概率为43/2376，距离为

的星座点的概率为61/8803，距离为

的星座点的概率49/18468，每个星座点由6个比特对应。通过对比特流中的比特进行重新排 列后，再次将6比特数据依次映射到三维星座中，此时星座呈非均匀分布，如图3中的（b）图 所示。

完成三维概率成形星座映射后，接下来可以对星座进行旋转实现第一次加密。

本实施例中，基于初始密钥进行陈氏混沌映射，生成旋转因子：

(1)

如公式(1)所示，通过初始参数(a,b,c,x,y,z)来驱动混沌系统，(a,b,c,x,y,z)即 为初始密钥，默认发送端与接收端均已知初始密钥；

、

、

表示对t求导，其中t代表一 个正的步长，即 dx/dt,， dy/dt,，dz/dt；

例如，当密钥为(35,3,28,-1,-0.2,0.5)时，陈氏混沌映射的图样如图4所示。

本实施例中，通过混沌映射，可以形成三组混沌序列

，首先选取 混沌序列

，通过其再生成三组子序列

，分别代表X，Y，Z三个空 间方向，按顺序读取三个序列中的值生成旋转因子，即

；其中

代表将X轴方向第

层顺时针旋转90度、

代表将Y轴方向第

层顺时针旋转90度、

代表将Z轴方向第

层顺时针旋转90度；通过旋转后得到了新的符号数据，将数据信 息变换为I/Q两路后进行传输，此时第一次加密完成。

当星座映射为4*4*4的立方体时，可以对混沌序列进行一定的处理，令序列由1~4之间的自然数组成，使其适用于后续的加密。三维星座映射旋转原理如图5所示，沿X/Y/Z轴旋转立方体的每一层，均可以改变立方体的形态。当旋转因子为132224时，则代表首先将X轴方向第一层顺时针旋转90度后，再将Y轴方向的第三层顺时针旋转90度，再将Z轴方向的第二层顺时针旋转90度，再将X轴方向第二层顺时针旋转90度，再将Y轴方向第二层顺时针旋转90度，再将Z轴方向第四层顺时针旋转90度，其示意图如图6所示。

本实施例中，第一次加密完成后，通过离散傅里叶变换后进行子载波映射以及子载波扰动，具体如下：

假设

为经过初次加密后获得的符号矩阵，通过对矩阵进行

点傅里叶处理 后得到

，离散傅里叶处理的点数满足

，其中M表示总的子载波数；接着将 获得的符号矩阵

映射到子载波上，获得新的输出矩阵

，其中l表示每个载波 上的符号数，m表示总的载波数；

对于混沌映射所产生的其他两个混沌序列

，选取合适的长度，与子载波 总数和总符号数匹配，改写为

，其可以表示为：

（2）

通过混沌序列分别产生两组位移矢量

和

，通过位移矢量在频域上改变子 载波的位置；最后在通过离散逆傅里叶变换将信号变换到时域上，此时完成了第二次加密， 最终OFDM时域信号可以表示为：

（3）

其中

表示第m个子载波上的第l个符号，

是第m个载波的频率，

是符 号持续的时间。

本实施例中，采用6模模分复用，将19路光分别转换为

六个模式，再通过19芯6模光纤进行传输，所用 少模多芯光纤示意图如图7所示。

本实施例中，基于星座旋转与子载波扰动的解调过程如图8所示，在接收端，通过相干接收后，在数字域对数据进行解调。解调过程是调制过程的反向操作。通过DFT将数据变换到频域后，由于加密过程中对子载波位置进行了置换，这里需要通过密钥进行同样的混沌映射得到相同的位移矢量，将子载波与子载波上的符号归位，其原理与加密原理相同，流程相反。

子载波归位后进行解映射，再通过IDFT将数据变换到时域，接下来对立方星座进行还原，完成第二次解密。原理与加密相同，步骤相反。通过密钥的逆向使用获得还原序列，将星座进行反向的旋转，得到最初的星座。最后利用最小距离判别法进行星座接映射，通过选择与通过传输后的星座点距离最小的符号点，进行解调，最终恢复发端发送的数据信号。

该方案融合了混沌加密技术、概率成形技术、空分复用技术，首先对将数据映射到三维空间，并且在三维空间上进行概率成形处理，然后对三维星座进行保留概率成形特性的旋转，实现对数据的第一层加密。接着在信号频域上进行第二次加密，通过对OFDM系统中的每一个子载波进行扰动掩盖，进一步加强系统的安全性。该方案既能够降低系统平均发射功率、提高频谱效率，还能够实现高安全加密。

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 (3)

1.一种基于星座扰动的少模P比特高安全传输方法，其特征在于：

步骤1，初始数据通过奇信道和偶信道中两个频率差为

的激光器利用光频梳技术产 生间隔为

的光频梳后输出，再通过耦合器交织在一起，形成频率间隔为

的密集光 载波；

步骤2，通过分束器将光分为N路，再将每一路通过分束器二次分光成M路，分别通过不同距离的光纤使光信号互不相关后，进行OFDM编码调制的同时进行加密；

步骤3，调制完成后对M路光信号进行模分复用，并通过光纤输出；

步骤4，接收端将光信号分离后进行模式解复用后，分别进行相干接收，最后在数字域对信号进行解密和解调；

步骤2中，对分光后的信号进行三维空间映射，对映射进行概率成形处理形成星座映射，对星座映射进行旋转实现第一次加密；对第一次加密后的数据通过离散傅里叶变换后进行子载波映射以及子载波扰动完成第二次加密；

星座映射通过旋转实现第一次加密具体步骤如下：

基于初始密钥进行陈氏混沌映射，生成旋转因子：

(1)

如公式(1)所示，通过初始参数(a,b,c,x,y,z)来驱动混沌系统，(a,b,c,x,y,z)即为初 始密钥，默认发送端与接收端均已知初始密钥；

、

、

表示对t求导，其中t代表一个正 的步长，即 dx/dt,， dy/dt,，dz/dt；

通过混沌映射，形成三组混沌序列

，首先选取混沌序列

，通过 其再生成三组子序列

，分别代表X，Y，Z三个空间方向，按顺序读取三 个序列中的值生成旋转因子，即

；其中

代表将X轴方向第

层顺时针旋转90度、

代表将Y轴方向第

层顺时针旋转90度、

代表将Z轴方向第

层顺时针旋转90度；

通过旋转后得到的新的符号数据，将数据信息变换为I/Q两路后进行传输。

2.如权利要求1所述的一种基于星座扰动的少模P比特高安全传输方法，其特征在于：第二次加密具体步骤如下：

假设

为经过初次加密后获得的符号矩阵，通过对矩阵进行

点傅里叶处理后得 到

，离散傅里叶处理的点数满足

，其中M表示总的子载波数；接着将获得 的符号矩阵

映射到子载波上，获得新的输出矩阵

，

表示第m个子载波上的 第l个符号，

，

，其中L表示每个载波上的符号数，M表示总的载波 数；

对于混沌映射所产生的其他两个混沌序列

,选取合适的长度，与子载波总数 和总符号数匹配，改写为

，表示为：

（2）

通过混沌序列分别产生两组位移矢量

和

，通过位移矢量在频域上改变子载 波的位置；最后在通过离散逆傅里叶变换将信号变换到时域上，此时完成了第二次加密，最 终OFDM时域信号表示为：

（3）

其中

表示第m个子载波上的第l个符号，

是第m个载波的频率，

是符号持 续的时间。

3.如权利要求2所述的一种基于星座扰动的少模P比特高安全传输方法，其特征在于：步骤4中，通过相干接收后，首先通过DFT将数据变换到频域，由于加密过程中对子载波位置进行了置换，因此，通过密钥进行同样的混沌映射得到相同的位移矢量，将子载波与子载波上的符号归位；子载波归位后进行解映射，再通过IDFT将数据变换到时域，接下来对星座映射进行还原，完成解密；最后利用最小距离判别法进行星座接映射，通过选择与通过传输后的星座点距离最小的符号点，进行解调，最终恢复发端发送的数据信号。

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