CN112929318B - 光接入网星座整形安全接入方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光接入网星座整形安全接入方法,属于光接入网技术领域。本发明对调制得到的QAM符号序列分组统计概率分布信息SI,并根据各组的SI对QAM星座各圈层区域进行定向交换以增大内圈星座点的出现概率。将SI编码成相位序列,与离散混沌序列相加取模后加载在各组QAM符号上,在传输概率整形信号的同时传输其统计分布信息SI。在接收端先通过混沌序列对加密信号进行相位检测,再利用恢复出的SI信息对各组星座进行概率恢复。本发明降低了信源熵、减小了信号平均功率、增大了星座点间平均欧氏距离,优化了信号误码率性能;本发明通过对QAM符号添加混沌相位,保证了数据安全性,增加了信号随机性,随机相位的添加还提升了信号的误码率性能。
Description
技术领域
本发明属于光接入网技术领域,更为具体地讲,涉及一种基于星座整形的安全接入方法。
背景技术
信息技术飞速发展的同时,网络安全事件也层出不穷。在严峻的安全挑战下,大力发展安全通信技术迫在眉睫。而接入网作为网络通信的最后一公里,其相关安全通信方案研究应该得到特别重视。
正交频分复用-无源光网络(Orthogonal Frequency Division Multiplexing-Passive Optical Network,OFDM-PON)凭借其在频谱效率、色散容忍性等方面的显著优势,成为了下一代光接入网技术的重要候选方案。同时其广播通信特征也对安全接入方案提出了相应需求。
混沌加密技术具有全数据加密、密钥空间大以、易实现等优势,部分混沌加密方案甚至能优化系统通信性能。而星座整形技术能有效提高信号传输性能,降低信号平均功率。综合两项技术的优势,有望实现一种简单有效的安全通信方法。
发明内容
本发明的发明目的在于:为了克服现有技术的不足,提供一种基于星座整形的混沌安全接入方法,采用星座概率整形和几何整形技术,实现了无数据膨胀的星座概率整形,同时提升了加密数据的误码率BER性能。
为实现上述发明目的,本发明的光接入网星座整形安全接入方法,包括步骤:
步骤1:将待发送的正交幅度调制QAM符号序列均分为多个分组;
并将QAM星座按圈层从内至外均分为多个区域;
获取各分组的QAM符号在各个区域中出现的频次高低顺序统计信息(StatisticsInformation,SI);即对各个区域按照QAM符号在各个区域中出现的频次进行降序排序得到每个分组的SI;
步骤2:基于每个分组的SI,对每个分组的各个区域进行区域置换:
将每个分组的第m个区域Am中的星座点置换到同象限中的ASI(m)区域的位置,其中SI(m)表示SI中第m个位置所对应的区域;从而基于每个分组所有区域的区域置换结果得到每个分组置换后的星座;
步骤3:混沌相位合成:
将S个相位向量PhaseVec复制G份得到相位矩阵PhaseMat,并基于配置的混沌CSSubMat对所述相位矩阵PhaseMat进行相加模P处理,将处理结果再转换成大小为1×T 的向量,得到每个分组的混沌相位向量ChaosPhase,其中,G、T分别表示每个小组和每个分组的QAM符号数;
步骤4:QAM几何整形:
基于每个分组的混沌相位向量ChaosPhase计算旋转角θ:
θ=90°×ChaosPhaset/P,t∈{1,2,...,T}
其中,ChaosPhaset表示混沌相位向量ChaosPhase的元素;
基于旋转角θ对每个分组的QAM符号在复平面上的坐标进行旋转,得到旋转后的坐标 Pos':
其中,Pos表示旋转前的坐标,real(·)表示实部,imag(·)表示虚部,j表示虚数单位;
步骤5:信号调制与传输:
发送端对QAM几何整形后的QAM符号序列进行OFDM调制,再将OFDM调制后的信号通过数模转换成模拟信号后调制到光信号上发送,经过光纤传输至接收端;
步骤6:接收端进行星座整形混沌解密:
对得到的每个小组的所有复平面坐标,分别计算P种相位情况下的累计欧氏距离,并将最小的累计欧氏距离对应的相位X确定为当前小组的实际相位,以得到每个分组的所有实际相位,确定每个分组的SI;
基于每个分组的SI进行区域置换的逆操作,得到恢复信号。
本发明光接入网星座整形安全接入方法,对调制得到的QAM符号序列分组统计概率分布信息SI,并根据各组的SI对QAM星座各圈层区域进行定向交换以增大内圈星座点的出现概率。将SI编码成相位序列,与离散混沌序列异或加密后加载在各组QAM符号上,在传输概率整形信号的同时传输其统计分布信息SI。在接收端先通过混沌序列对加密信号进行相位检测,再利用恢复出的SI信息对各组星座进行概率恢复。
综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明具有以下有益效果:
1)本发明通过对QAM符号星座区域定向置换,增大了星座内圈区域出现概率,减小了星座外圈区域出现概率,简单地实现了对信号的概率整形;
2)本发明通过对信号进行概率整形,降低了信源熵、减小了信号平均功率、增大了星座点间平均欧氏距离,优化了信号误码率性能;
3)本发明通过对QAM符号添加混沌相位,保证了数据安全性,增加了信号随机性,随机相位的添加还提升了信号的误码率性能;
4)本发明通过在接收端对混沌相位的解析,实现了对整形信号的有效恢复。在不恶化误码率性能的前提下,避免了概率整形带来的数据量膨胀,充分利用了系统带宽。
附图说明
图1是本发明基于星座整形的混沌安全接入方法的具体实施方式流程图;
图2是本实施例中星座区域划分及概率整形原理图,其中,图2(a)为16-QAM的区域划分示意图,图2(b)为PS前星座分布频数示意图,图2(c)为PS后星座分布频数示意图;
图3是本实施例中星座几何整形原理图,其中,图3(a)为旋转角θ为0°的星座几何整形示意图,图3(b)为旋转角θ为30°的星座几何整形示意图,图3(c)为旋转角θ为 60°的星座几何整形示意图,图3(d)为旋转角θ为90°的星座几何整形示意图。
图4是本实施例中数据传输系统结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,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。
为实现上述发明目的,本发明光接入网星座整形安全接入方法的具体步骤包括:
S1:将长为L的QAM符号序列分为每组含T个符号的N个分组Ψ1×T,将QAM星座按圈层从内至外均分为M个区域,依次记为A1-AM。
分析并记录各分组Ψ1×T中QAM符号在M个区域中出现的频次高低顺序统计信息SI,表示为1-M的一个排列。
S2:对第i(i=1,2,..,N)个分组Ψ1×T的各个区域,依次根据其SI信息执行区域置换以实现信号的概率整形,如下式所示:
Am'=rearrange(Am)=ASI(m),m=1,2,...,M
其中,Am'和C'分别表示置换后的区域和星座,rearrange(·)表示置换处理。
将S个相位向量PhaseVec复制G份得到相位矩阵PhaseMat,并基于配置的混沌CSSubMat对所述相位矩阵PhaseMat进行相加模P处理,将处理结果再转换成大小为1×T 的向量,得到每个分组的混沌相位向量ChaosPhase;
S4:在每个分组上加载混沌相位ChaosPhase。对于每个QAM,其旋转角由混沌相位ChaosPhase的元素决定。
分别用Pos和Pos'表示旋转前后QAM在复平面上的坐标,将旋转过程表示为 Pos'=rotate(Pos,ChaosPhaset),具体操作如下所示:
θ=90°×ChaosPhaset/P,t∈{1,2,...,T}
其中,θ表示旋转角,rotate(·)表示旋转处理,ChaosPhaset表示混沌相位ChaosPhase 的第t个元素,real(·)表示实部,imag(·)表示虚部,j表示虚数单位。
S5:对经过QAM几何整形的QAM符号序列进行OFDM调制,得到的信号通过数模转换成模拟信号后调制到光信号上发送,经过光纤传输后再在接收端进行信号检测;
S6:分别假设X取0,1,…,P-2或P-1,利用X对QAM符号进行相位恢复,并分别计算P种情况下的累计欧氏距离D。以16-QAM为例,对G个QAM的判决结果中使得D最小的X 值即判定为加载在QAM上的实际相位:
Posg,X=rotate(Posg,-X),g∈{1,2,...,G}
其中,Posg代表每个小组Φ1×G中的第g个QAM符号的复平面坐标,Posg,X则表示第g个 QAM符号的以相位X恢复后的复平面坐标。对每个分组Ψ1×T按上述方法计算出全部S个P元相位,并结合混沌序列推断出每个分组Ψ1×T的SI。再根据得到的SI执行区域交换的逆操作即可恢复出原始信号。
本发明光接入网星座整形安全接入方法,对调制得到的QAM符号序列分组统计概率分布信息SI,并根据各组的SI对QAM星座各圈层区域进行定向交换以增大内圈星座点的出现概率。将SI编码成相位序列,与离散混沌序列相加取模后加载在各组QAM符号上,在传输概率整形信号的同时传输其统计分布信息SI。在接收端先通过混沌序列对加密信号进行相位检测,再利用恢复出的SI信息对各组星座进行概率恢复。
实施例
图1是本发明基于星座整形的混沌安全接入方法的具体实施方式流程图。如图1所示,本发明基于星座整形的混沌安全接入方法的具体步骤包括:
S101:分析信号统计特性:
由于QAM星座中不同圈层的点具有不同的功率,且内圈之间的欧氏距离大于外圈,故增大QAM星座内圈星座点的出现概率,即概率整形,有益于提升信号抗噪声性能,降低信号平均功率,减小信源熵。对于一个经过QAM调制的随机符号序列,其星座图上各点出现的概率服从均匀分布。但若对其分段统计,每一段都具有一定随机性,通过在微观上记录每一段符号的概率分布,并对其圈层分布进行定向调整——将出现概率高的区域交换到内圈,概率低的置换到外圈,即可在宏观上改变QAM符号序列的原始概率分布。
将伪随机比特序列(Pseudo-Random Bit Sequence,PRBS)经过串并转换和QAM调制后得到长为L的QAM符号序列。再将序列划分为每组含T个QAM符号的N个分组Ψ1×T。根据QAM 星座圈层从内至外将星座图均分为M个区域,依次记为A1-AM,分析各分组Ψ1×T中QAM符号在M个区域中出现的频次高低顺序统计信息(Statistics Information,SI)。每个SI可能的取值情况为M的排列数,即M!种,信息量为log2(M!)bits。依次记录N个分组Ψ1×T的统计分布信息SI,即从内至外各区域星座点频次顺序。每个分组Ψ1×T的SI可表示为{1,2,…,M} 的一种组合,整个长为L的QAM符号序列的SI是一个大小为N×M的矩阵。
图2是本实施例中星座区域划分及概率整形原理图。如图2(a)所示,本实施例中采用16-QAM调制,星座图按圈层由内至外分别划分为A1、A2、A3和A4共四个区域。设置L=19200, T=30,M=4,计算得到16-QAM符号序列共分为N=640个分组Ψ1×T,每个分组Ψ1×T的统计分布可能有M!=4!=24种情况,信息量为log2(M!)=log224≈4.6bits。一个含30个16-QAM 符号的分组Ψ1×T中各星座点出现的频次如图2(b)所示,A1-A4区域分别有8、3、13和6个星座点。用大小次序来表示,其SI可表示为[2 4 1 3]。整个信号的SI是一个大小为640× 4的矩阵,其中每个元素代表着一个对应的分组Ψ1×T各区域的统计分布信息。
S102:星座概率整形(Probabilistic Shaping,PS):
对于N个分组Ψ1×T,分别执行以下区域置换操作:对第i(i=1,2,..,N)个分组Ψ1×T,根据其SI信息,依次将区域Am置换到同象限中ASI(m)区域的位置,其中m∈{1,2,...,M}。对一个区域及整个星座的置换分别如下式所示:
Am'=rearrange(Am)=ASI(m),m=1,2,...,M
其中,Am'和C'分别表示置换后的区域和星座。目的是将每个分组Ψ1×T中出现频次最高的区域的星座点置换到星座图中相同象限的最内圈区域,次高的置于中圈区域,最低的置于最外圈区域。
本实施例中,一个含30个16-QAM符号的分组Ψ1×T中各星座点出现的频次在PS处理前后的分布情况分别如图2(b)和2(c)所示。根据S101中得到的各个分组Ψ1×T的SI对每个星座点进行象限内区域置换。
以图2(b)所示分组Ψ1×T为例,其中(-3+1j)星座点原本位于第二象限的A3区域,而其 SI=[2 4 1 3],故A3'=rearrange(A3)=ASI(3)=A1。所以经过概率整形后它将被置换到相同象限的A1区域,也就是说该分组Ψ1×T中位于(-3+1j)处的星座点都将被置换到(-1+1j)处。其他位置的星座点亦根据SI确定的规则置换。通过对各个分组Ψ1×T的星座点区域的定向置换,可以实现对整个信号星座图的概率整形。使其逼近麦克斯韦-波尔茨曼分布以达到更佳的传输性能。最终的PS效果与T的设置相关。
S103:混沌相位合成:
为使经过PS的信号能够被成功恢复,在发送信号的同时需要向接收端传输SI。而为了避免信号膨胀,可以将每个分组Ψ1×T的SI信息编码成QAM符号的相位旋角加载在这T个 QAM符号上,其中有P种相位取值。将T个QAM符号的分组Ψ1×T细分成S个小组Φ1×G,每个小组Φ1×G的G个QAM符号加载一个旋角以便接收端对P元相位值进行更准确的判决,这也是T的取值不能太小的原因。S个P元相位的排列组合数不得小于SI可能取值数,即各参数满足以下关系:
为减小判决误差,G在满足上式的条件下应尽可能大,选择满足要求的参数并将SI信息转化成含S个P元相位的相位向量PhaseVec,其每个元素作用于一个含G个QAM符号的小组Φ1×G。将这S个相位每个复制G份得到相位矩阵PhaseMat,分别如下式所示:
为了增加相位的随机性以及保证传输过程的安全性,可以用混沌序列对相位矩阵进行相加模P处理。利用混沌系统初始参数Key作为密钥生成一个长为L的混沌序列,并将该序列转化为取值区间同样为{0,1,…,P-1}的离散混沌序列(Chaos Sequence,CS)。将CS也划分成N个长为T的子序列,每个子序列CSSub再转换成大小与PhaseMat一致的矩阵CSSubMat,分别与对应的PhaseMat执行模加操作,将结果再转换成大小为1×T的混沌相位向量 ChaosPhase。
本实施例中,因为M=4,T=30,每个含T个QAM符号的分组Ψ1×T的统计分布可能有M!种情况。当P={2,3,5}时存在满足条件的S,即25>24,33>24及52>24。当P=2时,S=5、G=6;P=3时,S=3、G=10;P=5时,S=2、G=15。以P取3为例,用3个3元相位即可表示每个分组Ψ1×T的SI,每个3元相位用10个取值为{0,1,2}的离散混沌值模加加密。对于每个分组Ψ1×T,最终得到可以加载在30个QAM上的混沌相位ChaosPhase。
S104:QAM几何整形(Geometric Shaping,GS):
利用步骤S103生成的混沌相位ChaosPhase对每一个QAM星座的复平面坐标值进行相位旋转加密,称为对QAM的几何整形。QAM星座旋转90°后的星座图将与原星座图重合(如图 3(a)和3(d)),接收端无法分辨QAM符号是否经过了相位旋转,故应设置旋转角θ<90°。对于每个QAM,其旋转角由混沌相位ChaosPhase的元素决定。分别用Pos和Pos'表示旋转前后QAM在复平面上的坐标,将旋转过程表示为Pos'=rotate(Pos,ChaosPhaset),具体操作如下所示:
θ=90°×ChaosPhaset/P,t={1,2,...,T}
图3是本实施例中星座几何整形原理图。如图3所示,本实施例中设置P=3,混沌相位 ChaosPhase长为30,取值范围为{0,1,2}。当ChaosPhaset分别取0、1和2时,旋转角θ分别为0°、30°和60°。经过GS处理后,信号将被整形成具有随机旋转角的QAM序列,分别如图3(a)、3(b)和3(c)所示,而图3(d)为旋转90°后的星座图,其与原星座图(图 3(a))重合。
S105:信号调制与传输:
对经过GS的QAM符号序列进行OFDM调制,得到的信号通过数模转换成模拟信号后调制到光信号上发送,经过光纤传输后再在接收端进行信号检测恢复。
图4是本实施例中数据传输系统结构图。如图4所示,本实施例中,光线路终端(Optical Line Terminal,OLT)基于安全密钥(Secure Key,SK)对PRBS进行QAM调制及星座整形混沌加密,将加密后的QAM序列进行厄米共轭变换后执行逆快速傅里叶变换(InverseFast Fourier Transform,IFFT)并添加循环前缀(Cyclic Prefix,CP)。得到的信号经过数模转换器(Digital to Analog Converter,DAC)转换后再通过强度调制器(IntensityModulator, IM)调制到激光二极管(Laser diode,LD)产生的光信号上。经过单模光纤(Single-Mode Fiber, SMF)传输、功率分配/耦合器(Power Splitter/Coupler,PSC)分路以及可调光衰减器(Tunable Optical Attenuator,TOA)的衰减后,利用光电检测器(Photodetector,PD)进行检测。最后由模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)转换成电域的数字信号后,由光网络单元(Optical Network Unit,ONU)执行星座整形混沌解密,即前述过程的逆过程以恢复出原始信号(PRBS)。若SK错误,则ONU为非法光网络单元。其中星座整形混沌解密过程在S106中详述。
S106:星座整形混沌解密:
在接收端检测到的是经过了星座整形混沌加密的信号,为恢复原始信号需对接收到的信号先后执行GS和PS的逆过程,即几何恢复(Geometric Recovery,GP)和概率恢复(Probability Recovery,PR)。在GR过程中,利用混沌系统密钥Key生成和发送端相同的离散混沌序列。对于含G个QAM符号的小组Φ1×G,其各符号上加载的相位由PhaseVec的一个元素X和CSSubMat的一列模加决定,而后者已知。故可以分别假设X取0,1,…,P-2 或P-1,将二者模加运算后得到的相位对QAM符号进行GR,并分别计算P种情况下的累计欧氏距离D。对G个QAM的判决结果中使得D最小的X值即判定为加载在QAM上的实际相位。对每个分组Ψ1×T按上述方法计算出全部S个P元相位,并根据其与SI的关联规则推断出每个分组Ψ1×T的SI。PR过程则相对简单,根据得到的SI推断出加密过程中的区域交换操作,执行其逆过程即可。
本实施例中,对于连续G个QAM符号,分别用X={0,1,2}与对应的混沌子序列模加的结果对相位进行恢复,即逆向旋转。计算恢复的坐标与标准16-QAM坐标的最小欧氏距离,再计算出在不同X下G个QAM符号的欧氏距离总和DX,使D最小的X值即判定为所加载的相位,如下所示:
Posg,X=rotate(Posg,-X),g∈{1,2,...,G}
其中Posg代表每个小组Φ1×G中的第g个QAM符号的复平面坐标,Posg,X则表示第g个QAM符号的以相位X恢复后的复平面坐标,二者均为(a+bj)的形式。
含T个QAM的分组Ψ1×T中可以提取出S个P元相位,本实施例中,T=30,S=3,P=3。PS=27>24,故相位信息可以涵盖SI,设置二者之间的一一映射即可实现对SI的恢复,继而根据SI信息可以实现PR。若经过GR的分组Ψ1×T星座点分布频数如图2(c)所示,从相位中恢复出的SI为[2 4 1 3]。可知当前A1-AM区域的星座点原本分别位于A3、A1、A4和A2区域,对每个分组Ψ1×T进行分析和区域置换即可完成整个信号的PR。再经过QAM解调即可得到原始PRBS。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,本说明书中所公开的任一特征,除非特别叙述,均可被其他等效或具有类似目的替代特征加以替换;所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤,除了互相排斥的特征和/或步骤以外,均可以任何方式组合。
Claims (2)
1.光接入网星座整形安全接入方法,其特征在于,包括步骤:
步骤1:将待发送的正交幅度调制QAM符号序列均分为多个分组;
并将QAM星座按圈层从内至外均分为多个区域,依次记为A1-AM,M表示QAM星座区域数;
获取各分组的QAM符号在各个区域中出现的频次高低顺序统计信息SI,表示为1-M的一个排列;
步骤2:基于每个分组的SI,对每个分组的各个区域进行区域置换:
将每个分组的第m个区域Am中的星座点置换到同象限中的ASI(m)区域的位置,其中SI(m)表示SI中第m个位置所对应的区域;从而基于每个分组所有区域的区域置换结果得到每个分组置换后的星座,m=1,2,...,M;
步骤3:混沌相位合成:
将S个相位向量PhaseVec复制G份得到相位矩阵PhaseMat,并基于配置的混沌CSSubMat对所述相位矩阵PhaseMat进行相加模P处理,将处理结果再转换成大小为1×T的向量,得到每个分组的混沌相位向量ChaosPhase,其中,G、T分别表示QAM符号序列的分组数和每个分组的QAM符号数;
步骤4:QAM几何整形:
基于每个分组的混沌相位向量ChaosPhase计算旋转角θ:
θ=90°×ChaosPhaset/P,t∈{1,2,...,T}
其中,ChaosPhaset表示混沌相位向量ChaosPhase的元素;
基于旋转角θ对每个分组的QAM符号在复平面上的坐标进行旋转,得到旋转后的坐标Pos':
其中,Pos表示旋转前的坐标,real(·)表示实部,imag(·)表示虚部,j表示虚数单位;
步骤5:信号调制与传输:
发送端对QAM几何整形后的QAM符号序列进行OFDM调制,再将OFDM调制后的信号通过数模转换成模拟信号后调制到光信号上发送,经过光纤传输至接收端;
步骤6:接收端星座整形混沌解密:
对得到的每个小组的所有复平面坐标,分别计算P种相位情况下的累计欧氏距离,并将最小的累计欧氏距离对应的相位X确定为当前小组的实际相位,以得到每个分组的所有实际相位,确定每个分组的SI;
基于每个分组的SI进行区域置换的逆操作,得到恢复信号。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤3中,混沌CSSubMat具体设置方式为:
基于混沌系统初始参数Key作为密钥生成一个与待发送的正交幅度调制QAM符号序列的长度相同的混沌序列;
将所述混沌序列转化为取值区间为{0,1,…,P-1}的离散混沌序列CS;
将离散混沌序列CS划分成多个长为T的子序列CSSub,其中子序列数与QAM符号序列的分组数相同;
将每个子序列CSSub转换成大小与PhaseMat一致的矩阵CSSubMat。
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CN101147374A (zh) * | 2005-01-11 | 2008-03-19 | 高通股份有限公司 | 用于经由分层调制发送分层及非分层数据的方法和装置 |
EP2916507A1 (en) * | 2014-03-04 | 2015-09-09 | Alcatel Lucent | Method for digitally modulating a signal in a communication network |
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