CN113434892A - 一种基于混沌加密的概率整形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布的一种基于混沌加密的概率整形方法，属于光通信领域。本发明采用在混沌系统中生成的混沌序列和信息序列，通过发送端位运算模块，按阈值的设定添加冗余序列输出特定符号分布的二进制发送序列；序列通过具有特定映射表的信号调制实现概率整形；接收端位运算模块利用混沌序列和发送端添加的冗余序列，实现发送端混沌加密的解密。本发明在进行混沌加密的同时实现概率整形效果，提升了信道容量；由于概率整形部分几乎不占据硬件算力，因此极大地节省了硬件成本；本方法可以与各类多维混沌加密技术叠加，并实现密钥空间一个维度的增加。本发明可应用于光纤通信领域，实现信号加密和信道容量的提升。

Description

一种基于混沌加密的概率整形方法

技术领域

本发明属于光通信领域，尤其涉及一种基于混沌加密的具有概率整形技术的光发射机和接收机系统。

背景技术

光纤通信具有大容量、高速率、低损耗、抗电磁干扰性能好、安全性强等优点，已经成为当今信息传输的支柱。而提高光纤信道容量的数字信号处理技术也不断涌现，其中概率整形技术受到广泛关注。现在主流的概率整形方法是基于固定成分分布匹配器(CCDM，Constant Composition Distribution Matching)的概率整形算法，它能够在较高的频谱效率下实现发射功率的降低，获得整形增益。然而基于CCDM的概率整形算法要求的算力较多，对硬件要求较高，提高了硬件成本。故在提升信道容量的同时，实现低硬件要求的概率整形方法成为研究者的重要思考方向。

发明内容

本发明设计了一种基于混沌加密的概率整形方法，极大地节省了硬件成本，并可以与各类多维混沌加密技术叠加，实现密钥空间一个维度的增加。本发明可应用于光纤通信领域，实现信号加密和信道容量的提升。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：在混沌系统中生成的混沌序列和信息序列，通过发送端位运算模块，按阈值的设定添加冗余序列输出特定符号分布的二进制发送序列；序列通过具有特定映射表的信号调制实现概率整形；接收端位运算模块利用混沌序列和发送端添加的冗余序列，实现发送端混沌加密的解密。

一种基于混沌加密的概率整形方法，具体包括以下步骤：

S101、获得信息序列，设置混沌系统初始值。

混沌系统初始值在允许范围内随机生成，个数与混沌系统维度相同。初始值分为静态参数和动态参数，静态参数确定后将不再变化；动态参数根据混沌系统设计而变化。

S102、混沌系统经过预定的阈值形成二进制混沌序列。

预设阈值是指混沌系统生成的原始随机序列的数值被划分为0、1符号所需的数值；原始随机序列通过预设阈值得到二进制混沌序列。阈值的设置应该保证生成二进制混沌序列的随机性。

混沌系统生成的原始混沌序列在归一化后，经过预定的阈值形成二进制混沌序列，序列长度与欲发射的信息序列相同。

S103、二进制混沌序列和信息序列通过发射端位运算模块，实现混沌加密并生成二进制发射序列，该发射序列0、1符号概率比为[3:1]。

发射端位运算模块分为两功能块，一功能块包括按位与操作，实现二进制混沌序列和信息序列的按位与操作；一功能块包括按位或和按位取反操作，最后两部分生成的序列合并，该功能块添加冗余信息实现接收端的信息序列解密。

在发射端位运算模块中的序列合并步骤有多种合并方式，如将两个序列整体合并，或者按固定比特分割合并。

合并方式采用两个序列整体合并时，为便于接收端分割序列，应该在发送序列固定位置标注信息序列长度，该位置可以选择在序列头部。

S104、二进制发射序列根据预设映射表进行信号调制，实现概率整形。

预设映射表的设计原则在于，在符合调制器工作原理的前提下，越靠近原点的星座点，其所映射的二进制序列中0占比越大。

可以在发送端所述信号调制前进行数字信号处理，如前向纠错编码技术和比特交织技术。

S105、在接收端通过相同参数设置的混沌系统生成与发射端相同的混沌序列。

S106、接收的解调二进制序列与混沌序列通过接收端位运算模块，得到信息序列。

接收端位运算模块将序列分为序列

和序列β后，两序列进行按位异或操作，得到的序列和接收端生成的混沌序列进行按位同或操作。

有益效果：

1、本方法在进行混沌加密的同时实现概率整形效果，提升了信道容量。

2、该基于混沌加密的概率整形方法可以与各类多维混沌加密技术叠加，并实现密钥空间一个维度的增加。

3、本发明概率整形部分几乎不占据硬件算力，因此极大地节省了硬件成本。

附图说明

图1为基于混沌加密的概率整形方法的示意图。

图2为基于16QAM的信号调制的映射表示意图。

图3为发送端位运算模块的框架图。

图4为接收端位运算模块的框架图。

图5为传输星座点的概率直方图。

图6为在不同信噪比(SNR)条件下基于本方法的传输系统和相同系统参数下未使用本方法的传输系统的误码率对比图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明。同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

为了使本领域的技术人员能够容易地理解本发明的原理和实施方式，本发明实施例以基于混沌Logistic映射的16QAM概率整形方法为例对本发明实施例的工作原理进行说明。

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明,具体步骤：

1、获得信息序列，设置混沌系统初始值。

所述混沌系统初始值在允许范围内随机生成，Logistic映射数学表达式为：x＝u.*(x-x.^2)。初始值u的范围为[3.5699456,4]。

2、混沌系统经过预定的阈值形成二进制混沌序列。

经过归一量化的原始混沌序列中大于阈值的符号变为1，小于阈值的符号变为0，由此生成二进制混沌序列。在保证生成二进制混沌序列的随机性的前提下，阈值在[0,1]范围内随机设置，这里预定阈值数值设为0.48。

3、二进制混沌序列和信息序列通过发射端位运算模块，实现混沌加密并生成二进制发射序列，该发射序列0、1符号概率比为[3:1]。

二进制混沌序列和信息序列共同经过发射端位运算模块，在序列合并步骤将两个序列整体合并，其中序列β在前，序列

在后。在二进制发送序列头部标注信息序列长度。发射端位运算模块如图3所示，分为两部分，一部分包括按位与操作，一部分包括按位或和按位取反操作，最后两部分生成的序列合并。

4、二进制发射序列根据预设映射表进行信号调制，实现概率整形。

预设映射表如图2所示，星座点所对应的符号序列中，I路对应的为前两位，Q路对应的为后两位。由于发射序列0、1符号概率比为[3:1]，映射序列为[0 0 0 0]的星座点概率为(0.75)^4＝0.31641，映射序列分别为[0 0 0 1]、[0 0 1 0]、[0 1 0 0]、[1 0 0 0]的星座点概率为0.25*(0.75)^3＝0.10547，以此类推。传输星座点的概率直方图如图5所示，可见信源概率分布在概率整形之后形成近高斯分布。

5、在接收端通过相同参数设置的混沌系统生成与发射段相同的混沌序列。

所述的混沌系统类型与发射端混沌系统相同，并且初始值和阈值也相同。

6、接收的解调二进制序列与混沌序列通过接收端位运算模块，得到接收信息序列。

接收端位运算模块如图4所示，序列分为序列

和序列β后，两序列进行按位异或操作，得到的序列和接收端生成的混沌序列进行按位同或操作，得到接收信息序列。

在不同信噪比(SNR，Signal Noise Ratio)条件下基于本方法的传输系统和相同系统参数下未使用本方法的传输系统的误码率对比图如图6所示，其中new scheme表示基于本方法的传输系统，traditional scheme表示相同系统参数下未使用本方法的传输系统。由图可见，使用本方法的光纤传输系统能够在更低的信噪比情况下实现无误码传输，提升了信道容量。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于混沌加密的概率整形方法，其特征在于，包括如下步骤：

S101、获得信息序列，设置混沌系统初始值；

S102、混沌系统经过预定的阈值形成二进制混沌序列；

S103、二进制混沌序列和信息序列通过发射端位运算模块，实现混沌加密并生成二进制发射序列，该发射序列0、1符号概率比为[3:1]；

S104、二进制发射序列根据预设映射表进行信号调制，实现概率整形；

S105、在接收端通过相同参数设置的混沌系统生成与发射端相同的混沌序列；

S106、接收的解调二进制序列与混沌序列通过接收端位运算模块，得到信息序列。

2.如权利要求1所述，一种基于混沌加密的概率整形方法，其特征在于，步骤S101的实现方法为：

混沌系统初始值在允许范围内随机生成，个数与混沌系统维度相同；初始值分为静态参数和动态参数，静态参数确定后将不再变化；动态参数根据混沌系统设计而变化。

3.如权利要求1所述，一种基于混沌加密的概率整形方法，其特征在于，步骤S102的实现方法为：

预设阈值是指混沌系统生成的原始随机序列的数值被划分为0、1符号所需的数值；原始随机序列通过预设阈值得到二进制混沌序列；阈值的设置应该保证生成二进制混沌序列的随机性；

混沌系统生成的原始混沌序列在归一化后，经过预定的阈值形成二进制混沌序列，序列长度与欲发射的信息序列相同。

4.如权利要求1所述，一种基于混沌加密的概率整形方法，其特征在于，步骤S103的实现方法为：

发射端位运算模块分为两功能块，一功能块包括按位与操作，实现二进制混沌序列和信息序列的按位与操作；一功能块包括按位或和按位取反操作，最后两部分生成的序列合并，该功能块添加冗余信息实现接收端的信息序列解密；

在发射端位运算模块中的序列合并步骤有多种合并方式，如将两个序列整体合并，或者按固定比特分割合并；

合并方式采用两个序列整体合并时，为便于接收端分割序列，应该在发送序列固定位置标注信息序列长度，该位置可以选择在序列头部。

5.如权利要求1所述，一种基于混沌加密的概率整形方法，其特征在于，步骤S104的实现方法为：

预设映射表的设计原则在于，在符合调制器工作原理的前提下，越靠近原点的星座点，其所映射的二进制序列中0占比越大；

可以在发送端所述信号调制前进行数字信号处理，如前向纠错编码技术和比特交织技术。

6.如权利要求1所述，一种基于混沌加密的概率整形方法，其特征在于，步骤S106的实现方法为：

接收端位运算模块将序列分为序列

和序列β后，两序列进行按位异或操作，得到的序列和接收端生成的混沌序列进行按位同或操作。

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