CN112804049A - 基于动态压缩和多混沌加密的六边形cap光传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于动态压缩和多混沌加密的六边形CAP光传输方法，包括：对压缩后的六边形星座图进行logistic混沌和Chen超混沌相结合的多混沌加密，得到加密数据；对加密数据进行GFDM调制和添加CP后，送入无线信道传输；接收无线信道传输数据，对其依次进行移除CP、GFDM解调、信道译码、星座解映射和并串变换后，输出信号。本发明中应用logistic混沌和Chen超混沌相结合的多混沌加密，同时应用概率成型技术并通过动态的压缩迭代优化误码率，可实现高通信安全的同时，降低误码率，降低信号传输能量，提高信道传输容量、速率。

Description

基于动态压缩和多混沌加密的六边形CAP光传输方法
技术领域
本发明属于通信领域，涉及一种基于动态压缩和多混沌加密的六边形CAP光传输方法。
背景技术
随着视频软件，网络游戏，在线支付等应用的广泛使用，人们对通信传输速率也有了更高的要求。截止2020年，5G已正式投入商用，对于6G通信技术的研究也早已展开。巨大的信息容量需求不仅需要不断提高通信容量和通信速率，通信安全的问题也不可忽视。
在通信安全中，加密是一种保护信号以及增加物理层中网络机密性的非常重要的方法。普通的加密方式往往集中在光网络的上层，无法保护数据头，因此存在着很大的安全隐患。而物理层加密就可以规避这些缺点，是一种很有前途的加密方式。混沌加密技术因为其特有的对初始条件极为敏感的特性而广受研究者的重视，被越来越多的应用于通信加密领域。
概率成型(probabilisticshaping，PS)技术通过对不同星座点的映射概率进行优化处理，缩短外圈星座点的欧式距离，改变各个星座点的映射概率从而把发射能量较高的星座点映射到发射能量相对较低的星座点处，从而实现各个星座点的概率重新分布，从而起到了降低总体发射能量的作用。概率成型技术因其传输容量高、系统复杂度低等优势得到了越来越多的关注。
GFDM相比于OFDM技术具有较少的带外辐射，帧结构灵活性较高，可调节性大。可以同时在时域频域对信号进行处理等优势更能满足5G在不同场景的需求。采用GFDM系统可以有效地降低星座传输过程中信号之间的串扰，方便对信号的处理以及后续的加密工作。
发明内容
本发明基于GFDM系统，提出一种误码率低、信息传输保密性好的基于动态压缩和多混沌加密的六边形CAP光传输方法。
本发明所采用的技术方案为：
基于动态压缩和多混沌加密的六边形CAP光传输方法，包括如下步骤：
步骤一、对原始数据进行串并变换，再进行星座映射，得到六边形星座图；
步骤二、对六边形星座图进行压缩迭代处理；
步骤三、对压缩后的六边形星座图进行logistic混沌和Chen超混沌相结合的多混沌加密，得到加密数据；
步骤四、对加密数据进行GFDM调制和添加CP后，送入无线信道传输；
步骤五、接收无线信道传输数据，对其依次进行移除CP、GFDM解调、信道译码、星座解映射和并串变换后，输出信号。
进一步地，步骤二具体包括：设置概率分布，接着计算光纤信道和误码率，产生随机概率分布，再计算对应的误码率；比较现误码率和原误码率，如果现误码率更小，那么替代原误码率，否则用蒙特卡罗准则决定是否保留原概率分布；
蒙特卡罗准则的表示式为：
exp(△BER/KT)＞rand （1）
公式（1）中， △BER=BER'-BER，BER表示原误码率，BER'表示现误码率；T为常数，K为人为设置的常数；
通过改变K的值，控制迭代次数，直至误码率趋于一个常数的最低误码率，此时对应的压缩比例为最佳压缩比，输出最佳压缩比；
根据最佳压缩比对六边形星座图进行压缩。
进一步地，步骤三具体包括：
步骤301、logistic混沌模型表达式为：
X(t+1)=μX(t)[1-X(t)] （2）
公式（2）中，t为迭代时间步，对于任意的t，X(t)∈[0,1]；μ为可调参数，μ∈[3.6,4]时，logistic混沌模型处于混沌状态；
设置初值X(0)和参数μ，迭代生成第一密钥组，并通过第一密钥组生成logistics扰动因子；
步骤302、Chen超混沌模型表达式为：
Figure 868067DEST_PATH_IMAGE001
（3）
公式（3）中，x、y 、z和q为状态变量；a、b、c、d和e为控制参数，X’、Y’、Z’、Q’分别为计算后的状态变量；a=35，b=7，c=12，d=3，e∈(0.085,0.798]时，Chen超混沌模型有两个正的Lyapunov指数，分别为λ1=0.0021，λ2=0.9076，此时Chen超混沌模型处于超混沌状态；
设置初始状态参数和控制参数，迭代生成第二密钥组，作为chen置乱序列；
步骤303、六边形星座图分为奇、偶组数据，其中，偶组数据通过logistics扰动因子进行置乱加密，奇组数据通过chen置乱序列进行置乱加密；两组置乱加密的数据再进行异或处理，得到最终的加密数据。
进一步地，步骤301中，初值X(0)取0.5，参数μ=4。
进一步地，步骤302中，初始状态参数x(0),y(0),z(0),q(0)=-1.1,0.1,1.1,1.2；e取0.15；Chen超混沌模型迭代500次以上。
本发明的有益效果在于：
本发明中应用logistic混沌和Chen超混沌相结合的多混沌加密，同时应用概率成型技术并通过动态的压缩迭代优化误码率，可实现高通信安全的同时，降低误码率，降低信号传输能量，提高信道传输容量、速率。
附图说明
图1为六边形CAP光传输方法的流程框图；
图2为压缩迭代流程框图；
图3为星座压缩示意图；
图4为logistic混沌模型；
图5为logistic混沌模型密钥生成框图；
图6为logistic混沌模型扰动因子生成框图；
图7为Chen超混沌模型混沌吸引子相轨图；
图8为多混沌加密原理图；
图9为多混沌解密原理图；
图10为加密前和加密后的星座信号示意图；
图11为解密后的星座信号示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明的基于动态压缩和多混沌加密的六边形CAP光传输方法作进一步地详细说明。
如图1所示，基于动态压缩和多混沌加密的六边形CAP光传输方法，包括如下步骤：
步骤一、对原始数据进行串并变换，再进行星座映射，得到六边形星座图。
步骤二、对六边形星座图进行压缩迭代处理。
步骤二具体包括：设置概率分布，接着计算光纤信道和误码率，产生随机概率分布，再计算对应的误码率。比较现误码率和原误码率，如果现误码率更小，那么替代原误码率，否则用蒙特卡罗准则决定是否保留原概率分布。
蒙特卡罗准则的表示式为：
exp(△BER/KT)＞rand （1）
公式（1）中， △BER=BER'-BER，BER表示原误码率，BER'表示现误码率。T为常数，K为人为设置的常数。
通过改变K的值，控制迭代次数，直至误码率趋于一个常数的最低误码率（逐次迭代后，误码率趋于最低误码率），此时对应的压缩比例为最佳压缩比，输出最佳压缩比。
根据最佳压缩比对六边形星座图进行压缩。如图3所示，对四圈的六边形星座图压缩映射成三圈的六边形星座，对于每一圈的星座点分别在星座信号前添加两位冗余，对于来自第四圈的星座点前添加冗余00，第三圈01，第二圈11，第一圈10。压缩后，将外圈能量较高的星座点映射到内圈发射能量较低的星座点处，可有效降低系统的平均发射能量，降低传输系统的误码率。
步骤三、对压缩后的六边形星座图进行logistic混沌和Chen超混沌相结合的多混沌加密，得到加密数据。
步骤三具体包括：
步骤301、logistic混沌模型表达式为：
X(t+1)= μX(t)[1-X(t)] （2）
公式（2）中，t为迭代时间步，对于任意的t，X(t)∈[0,1]。μ为可调参数，μ∈[3.6,4]时，logistic混沌模型处于混沌状态。如图4所示，此时函数值在5个值之间来回波动，所有的振荡周期都依赖于μ。当μ持续增大的时候，迭代运行的轨道就会在周期类型和混沌类型之间来回切换。直到μ=4，系统处于完全混沌的状态，最终的长期行为会在[0,1]区间上均匀分布。利用这一特性，将混沌序列的参数作为密钥，使用图5所示的方式产生一个密钥组，通过该密钥组产生扰动因子对信号进行扰动加密。
设置初值X(0)和参数μ后，迭代生成第一密钥组，并通过第一密钥组生成logistics扰动因子。在X(0)和μ赋初值后可获得一个庞大的密钥组，以生成密钥组小数点后第二位数字为判断依据，大于5取值为1，否则取值为-1，于是就产生了一组扰动因子。将扰动因子与信号位置相乘，如果扰动因子为1，则信号点的位置不发生改变；如果扰动因子为-1，则信号点的位置发生中心对称改变，从而改变了个别信号的位置，起到了加密传输的作用，参见图6。
本实施例中，初值X(0)取0.5，参数μ=4。
步骤302、Chen超混沌模型表达式为：
Figure 863705DEST_PATH_IMAGE001
（3）
公式（3）中，x、y 、z和q为状态变量。a、b、c、d和e为控制参数，X’、Y’、Z’、Q’分别为计算后的状态变量。a=35，b=7，c=12，d=3，e∈(0.085,0.798]时，Chen超混沌模型有两个正的Lyapunov指数，分别为λ1=0.0021，λ2=0.9076，此时Chen超混沌模型处于超混沌状态。本发明所采用的为Chen四维超混沌系统，具有复杂的动力学行为和混沌参数，可提供给加密算法更多的密钥空间。
设置初始状态参数和控制参数，迭代生成第二密钥组，作为chen置乱序列。
本实施例中，初始状态参数x(0),y(0),z(0),q(0)=-1.1,0.1,1.1,1.2。e取0.15。Chen超混沌模型迭代500次以上，使获得的混沌序列随机性更强。Chen超混沌模型在x-y、x-z、x-q、x-y-z方向上的运动轨迹如图7所示，从图7中可以直观地看出各个方向上的运动状态几乎都不一样，因此所得的混沌序列离散性较好。
步骤303、六边形星座图分为奇、偶组数据，其中，偶组数据通过logistics扰动因子进行置乱加密，奇组数据通过chen置乱序列进行置乱加密。两组置乱加密的数据再进行异或处理，得到最终的加密数据。
具体地，参见图8，星座映射后的六边形星座图包括奇、偶两路信号（四圈的六边形星座图），进行星座压缩后，用傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，再进行子载波映射，使用chen置乱序列对奇信号进行加密，使用logistics扰动因子对偶信号进行加密。接着，对加密后的两路信号进行逆傅里叶变换，将频域信号转换到时域，再进行并串变换，将两路信号复用为一路，输出加密数据。
步骤四、对加密数据进行GFDM调制和添加CP后，送入无线信道传输。
添加CP是在GFDM调制输出的GFDM数据块前端添加添加一个长度大于信道时延扩展的cp时钟脉冲，用于抵抗多径信道造成的符间干扰。
步骤五、接收无线信道传输数据，对其依次进行移除CP、GFDM解调、信道译码、星座解映射和并串变换后，输出信号。
解密过程为加密的逆过程，如图9所示，加密数据通过串并变换分为奇、偶两路信号，然后傅里叶变换，在频域上进行子载波解扰以及子载波解映射处理，再通过逆傅里叶变换将信号解回时域，接着对压缩处理后的星座根据压缩比进行星座还原，最后通过并串变换复用为一路信号实现信号还原。
本发明中，发送端信号通过概率成型的方式，增大内圈信号出现的概率，减小外圈信号出现概率，以达到降低信号平均功率的效果。内层混沌加密系统将处理后的星座信号与生成的扰动因子相乘，将星座图打乱，改变了每一圈星座点出现的概率，原先出现在星座图三圈中的任意一个点理论上可以出现在星座图的任何一个地方。
在接收端在没有密钥的情况下直接解调信号，此时得到的信号是混乱无序且不均匀的。此时需要根据已知的密钥生成置乱序列的逆矩阵，使用密钥对信号进行解密处理，从而完成解密，如图10和图11所示。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术方法范围内，可轻易想到的替换或变换方法，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于动态压缩和多混沌加密的六边形CAP光传输方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、对原始数据进行串并变换，再进行星座映射，得到六边形星座图；
步骤二、对六边形星座图进行压缩迭代处理；
步骤三、对压缩后的六边形星座图进行logistic混沌和Chen超混沌相结合的多混沌加密，得到加密数据；
步骤四、对加密数据进行GFDM调制和添加CP后，送入无线信道传输；
步骤五、接收无线信道传输数据，对其依次进行移除CP、GFDM解调、信道译码、星座解映射和并串变换后，输出信号。
2.根据权利要求1所述的基于动态压缩和多混沌加密的六边形CAP光传输方法，其特征在于，步骤二具体包括：设置概率分布，接着计算光纤信道和误码率，产生随机概率分布，再计算对应的误码率；比较现误码率和原误码率，如果现误码率更小，那么替代原误码率，否则用蒙特卡罗准则决定是否保留原概率分布；
蒙特卡罗准则的表示式为：
exp(△BER/KT)＞rand （1）
公式（1）中， △BER=BER'-BER，BER表示原误码率，BER'表示现误码率；T为常数，K为人为设置的常数；
通过改变K的值，控制迭代次数，直至误码率趋于一个常数的最低误码率，此时对应的压缩比例为最佳压缩比，输出最佳压缩比；
根据最佳压缩比对六边形星座图进行压缩。
3.根据权利要求1所述的基于动态压缩和多混沌加密的六边形CAP光传输方法，其特征在于，步骤三具体包括：
步骤301、logistic混沌模型表达式为：
X(t+1)=μX(t)[1-X(t)] （2）
公式（2）中，t为迭代时间步，对于任意的t，X(t)∈[0,1]；μ为可调参数，μ∈[3.6,4]时，logistic混沌模型处于混沌状态；
设置初值X(0)和参数μ，迭代生成第一密钥组，并通过第一密钥组生成logistics扰动因子；
步骤302、Chen超混沌模型表达式为：
Figure 503958DEST_PATH_IMAGE001
（3）
公式（3）中，x、y 、z和q为状态变量；a、b、c、d和e为控制参数，X’、Y’、Z’、Q’分别为计算后的状态变量；a=35，b=7，c=12，d=3，e∈(0.085,0.798]时，Chen超混沌模型有两个正的Lyapunov指数，分别为λ1=0.0021，λ2=0.9076，此时Chen超混沌模型处于超混沌状态；
设置初始状态参数和控制参数，迭代生成第二密钥组，作为chen置乱序列；
步骤303、六边形星座图分为奇、偶组数据，其中，偶组数据通过logistics扰动因子进行置乱加密，奇组数据通过chen置乱序列进行置乱加密；两组置乱加密的数据再进行异或处理，得到最终的加密数据。
4.根据权利要求3所述的基于动态压缩和多混沌加密的六边形CAP光传输方法，其特征在于，步骤301中，初值X(0)取0.5，参数μ=4。
5.根据权利要求3所述的基于动态压缩和多混沌加密的六边形CAP光传输方法，其特征在于，步骤302中，初始状态参数x(0),y(0),z(0),q(0)=-1.1,0.1,1.1,1.2；e取0.15；Chen超混沌模型迭代500次以上。
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