CN113965312A - 基于三维cap星座的空间加密方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于三维CAP星座的空间加密方法。本空间加密方法包括：将Logistic Map模型作为第一混沌模型，用于生成对伪随机输入数据进行异或运算的第一级遮掩因子；将超四翼混沌模型作为第二混沌模型，用于生成分别对三维CAP星座进行位移变换、空间变换的第二级遮掩因子、第三级遮掩因子；将三级遮掩因子用于三维CAP星座的加密调制。本发明将两种混沌模型联合，首先对伪随机输入数据进行异或运算，然后实现三维星座的位移变换和空间变换，能够有效提升通信安全的效果；基于三维CAP星座的空间加密方法，增加了加密的灵活性，同时由于欧式距离相较于二维星座更大，所以不仅仅具有更高的加密性能，同时具有更好的误码率性能。

Description

基于三维CAP星座的空间加密方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于三维CAP星座的空间加密方法。
背景技术
由于各种通信技术的涌现，第五代移动通信技术(5G)的应用、虚拟现实、4k视频频等的不断发展，寻找一种兼具低成本和高可靠性的调制技术已成为通信发展的重点研究方法。无载波幅度/相位(CAP)调制具有更好的频谱利用率和复杂度低等优点，而多维CAP调制技术，不仅仅提高了数据传输速率，并且为CAP系统吞吐量及用户多址接入等性能的进一步发展提供了更大的空间。
此外，随着互联网和数字技术的飞速发展，通信安全也逐渐受到高度重视。在混沌中，混沌系统具有对初始值敏感、强伪随机性和遍历性等特点，非常适合用来通信领域信息加密。但是，传统的加密算法，如仅仅基于Logistic映射的加密算法，具有简单的结构，计算复杂度低，容易受到暴力攻击和统计分析攻击，仅仅基于LogisticMap加密的系统安全性较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于三维CAP星座的空间加密方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于三维CAP星座的空间加密方法，包括：将LogisticMap模型作为第一混沌模型，用于生成对伪随机输入数据进行异或运算的第一级遮掩因子；将超四翼混沌模型作为第二混沌模型，用于生成分别对三维CAP星座进行位移变换、空间变换的第二级遮掩因子、第三级遮掩因子；将三级遮掩因子用于三维CAP星座的加密调制。
本发明的有益效果是，本发明将LogisticMap模型、超四翼混沌模型两种混沌模型联合，首先对伪随机输入数据进行异或运算，然后实现三维星座的位移变换和空间变换，能够有效提升通信安全的效果；基于三维CAP星座的空间加密方法，增加了加密的灵活性，同时由于欧式距离相较于二维星座更大，所以不仅仅具有更高的加密性能，同时具有更好的误码率性能。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所涉及的基于三维星座的空间加密方法的流程框图；
图2为本发明所涉及的LogisticMap混沌模型的分岔图；
图3为本发明所涉及的超四翼混沌模型的相位图；
图4为本发明所涉及的三维CAP星座的8星座点经过二级遮掩后的星座图；
图5为本发明所涉及的三维CAP星座的8星座点经过三级遮掩后的星座图；
图6为本发明所涉及的经过第三级和第二级遮掩因子正确解密后的星座图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，在一个实施例中，本发明提供了一种基于三维CAP星座的空间加密方法，包括：将LogisticMap模型作为第一混沌模型，用于生成对伪随机输入数据进行异或运算的第一级遮掩因子；将超四翼混沌模型作为第二混沌模型，用于生成分别对三维CAP星座进行位移变换、空间变换的第二级遮掩因子、第三级遮掩因子；将三级遮掩因子用于三维CAP星座的加密调制。
在本实施例中，将LogisticMap模型、超四翼混沌模型两种混沌模型联合，首先对伪随机输入数据进行异或运算，然后实现三维星座的位移变换和空间变换，能够有效提升通信安全的效果；基于三维CAP星座的空间加密方法，增加了加密的灵活性，同时由于欧式距离相较于二维星座更大，所以不仅仅具有更高的加密性能，同时具有更好的误码率性能。
在本实施例中，优选的，所述LogisticMap模型的表达式为：
un+1＝kun(1-un)……①
其中，k为分岔参数，取值范围为0＜k≤4；初始值u0的取值范围为(0，1)；un表示公式①迭代n次后得到的值；以及利用公式①生成第一级遮掩因子l，具体规则为：
l＝floor(mod(u*1e16,2))……②；
其中，mod表示求余运算，floor表示对小数向下取整，u为公式①生成的混沌序列。
在本实施例中，优选的，式①中k的取值为3.95。
图2为本发明所涉及的LogisticMap混沌模型的分岔图。
在本实施例中，优选的，所述超四翼混沌模型的表达式为：
Figure BDA0003316250960000041
其中，参数x、y、z均为系统状态变量；a、b、c、d、e、k、m、n均为系统参数，为常数量；w为系统状态反馈变量；t为步长，取值为大于零的整数；
生成第二级遮掩因子的过程包括：通过超四翼混沌模型生成x、y、z、w四个混沌序列，利用x、y、z生成第二级遮掩因子，将第二级遮掩因子用作三维CAP星座点坐标的位移幅度变换，其中x轴星座点坐标变换遮掩因子S1；y轴星座点坐标变换遮掩因子S2；z轴星座点坐标变换遮掩因子S3；具体变换规则为：
Figure BDA0003316250960000042
其中，x、y、z为公式③中的变量，mod表示求余运算，floor表示对小数向下取整。
在本实施例中，优选的，生成第三级遮掩因子的过程包括：通过超四翼混沌模型生成w混沌序列，利用w生成第三级遮掩因子，将第三级遮掩因子S4用作三维CAP星座点坐标的空间变换，具体规则为：
S4＝floor(mod(w,8))+1……⑤
其中，w为公式③中的变量，mod表示求余运算，floor表示对小数向下取整。
在本实施例中，a、b、c、d、e、k、m、n的取值分别为：a＝8；b＝-1；c＝-40；d＝1；e＝2；k＝-14；m＝1；n＝-2；变量x、y、z、w的初始值分别为：x0＝0.1；y0＝0.1；z0＝0.1；w0＝0.1。
图3为本发明所涉及的超四翼混沌模型的相位图。
在一种应用场景中，三维CAP星座的加密调制的过程包括：产生伪随机比特序列p，将产生的伪随机比特序列p与第一级遮掩因子l进行异或运算得到比特序列L：
L＝xor(p,l)……⑥；
即实现了基于伪随机比特序列异或运算的一级遮掩；
串并变换，将异或运算后的比特序列进行串并变换，转换成三路并列的比特序列，得到列数为3的比特数据组；
星座映射，将三列并行的比特数据组中的每一行作为一组，将每一行比特数据按照Gray映射规则映射为星座点的符号信息，映射后可以得到三维CAP星座图；
位移变换，将三维CAP星座图中的星座点分别进行位移变换，其中，x轴星座点坐标变换S1，y轴星座点坐标变换S2，z轴星座点坐标变换S3；其中
假设三维CAP星座图中的某个星座点Di＝(Di1,Di2,Di3)，星座点Di＝(Di1,Di2,Di3)经过位移变换后依次得到星座点坐标Di'＝(Di'1,Di'2,Di'3)，其中：
Figure BDA0003316250960000061
即实现了基于星座位移变换的二级遮掩；
图4为本发明所涉及的三维CAP星座的8星座点经过二级遮掩后的星座图；
空间变换，将三维CAP星座图中的星座点分别进行空间变换，第三级遮掩因子S4i＝1～8中间的实数，分别代表三维空间的八个区域，用坐标点将各个区域表示出来：Ⅰ＝[1,1,1]、II＝[-1,1,1]、III＝[-1,-1,1]、IV＝[1,-1,1]、V＝[1,1,-1]、VI＝[-1,1,-1]、VII＝[-1,-1,-1]、VIII＝[1,-1,-1]；S4ix、S4iy、S4iz分别为该遮掩因子对应空间的x、y、z轴的坐标点；根据第三级遮掩因子S4进行空间变换，经过位移变换后的星座点D′i经过空间变换后，星座点坐标变为D”i＝(D”i1,D”i2,D”i3)，其中：
Figure BDA0003316250960000062
图5为本发明所涉及的三维CAP星座的8星座点经过三级遮掩后的星座图；
经过三级遮掩因子对星座点进行加密后，对输出符号信息进行M倍上采样，得到上采样后的符号信息；
通过使用三个两两相互正交的滤波器对上采样后的符号信息进行成型滤波；
三路并行符号信息相加和，得到完整的加密调制信号。
在本实施例中，优选的，所述空间加密方法还包括：接收到经过信道的加密调制信号后依次进行匹配滤波、下采样、基于空间变换的三级星座解密、基于位移变换的二级星座解密，根据最小欧氏距离判决方法，得到原始的符号信息、基于异或运算的一级比特解密，恢复出原始的比特序列。
图6为本发明所涉及的经过第三级和第二级遮掩因子正确解密后的星座图。
综上所述，本发明将LogisticMap模型、超四翼混沌模型两种混沌模型联合，首先对伪随机输入数据进行异或运算，然后实现三维星座的位移变换和空间变换，能够有效提升通信安全的效果；基于三维CAP星座的空间加密方法，增加了加密的灵活性，同时由于欧式距离相较于二维星座更大，所以不仅仅具有更高的加密性能，同时具有更好的误码率性能。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种基于三维CAP星座的空间加密方法，其特征在于，包括：
将Logistic Map模型作为第一混沌模型，用于生成对伪随机输入数据进行异或运算的第一级遮掩因子；
将超四翼混沌模型作为第二混沌模型，用于生成分别对三维CAP星座进行位移变换、空间变换的第二级遮掩因子、第三级遮掩因子；
将三级遮掩因子用于三维CAP星座的加密调制。
2.如权利要求1所述的空间加密方法，其特征在于，
所述Logistic Map模型的表达式为：
un+1＝kun(1-un)……①
其中，k为分岔参数，取值范围为0＜k≤4；初始值u0的取值范围为(0，1)；un表示公式①迭代n次后得到的值；以及
利用公式①生成第一级遮掩因子l，具体规则为：
l＝floor(mod(u*1e16,2))……②
其中，mod表示求余运算，floor表示对小数向下取整，u为公式①生成的混沌序列。
3.如权利要求2所述的空间加密方法，其特征在于，式①中k的取值为3.95。
4.如权利要求3所述的空间加密方法，其特征在于，
所述超四翼混沌模型的表达式为：
Figure FDA0003316250950000011
其中，参数x、y、z均为系统状态变量；a、b、c、d、e、k、m、n均为系统参数，为常数量；w为系统状态反馈变量；t为步长，取值为大于零的整数；以及
生成第二级遮掩因子的过程包括：
通过超四翼混沌模型生成x、y、z、w四个混沌序列，利用x、y、z生成第二级遮掩因子，将第二级遮掩因子用作三维CAP星座点坐标的位移幅度变换，其中x轴星座点坐标变换遮掩因子S1；y轴星座点坐标变换遮掩因子S2；z轴星座点坐标变换遮掩因子S3；具体变换规则为：
Figure FDA0003316250950000021
其中，x、y、z为公式③中的变量，mod表示求余运算，floor表示对小数向下取整。
5.如权利要求4所述的空间加密方法，其特征在于，
生成第三级遮掩因子的过程包括：
通过超四翼混沌模型生成w混沌序列，利用w生成第三级遮掩因子，将第三级遮掩因子S4用作三维CAP星座点坐标的空间变换，具体规则为：
S4＝floor(mod(w,8))+1……⑤
其中，w为公式③中的变量，mod表示求余运算，floor表示对小数向下取整。
6.如权利要求5所述的空间加密方法，其特征在于，
a、b、c、d、e、k、m、n的取值分别为：a＝8；b＝-1；c＝-40；d＝1；e＝2；k＝-14；m＝1；n＝-2；
变量x、y、z、w的初始值分别为：x0＝0.1；y0＝0.1；z0＝0.1；w0＝0.1。
7.如权利要求6所述的空间加密方法，其特征在于，
三维CAP星座的加密调制的过程包括：
产生伪随机比特序列p，将产生的伪随机比特序列p与第一级遮掩因子l进行异或运算得到比特序列L：
L＝xor(p,l)……⑥；
实现基于伪随机比特序列异或运算的一级遮掩；
串并变换，将异或运算后的比特序列进行串并变换，转换成三路并列的比特序列，得到列数为3的比特数据组；
星座映射，将三列并行的比特数据组中的每一行作为一组，将每一行比特数据按照Gray映射规则映射为星座点的符号信息，映射后可以得到三维CAP星座图；
位移变换，将三维CAP星座图中的星座点分别进行位移变换，其中，x轴星座点坐标变换S1；y轴星座点坐标变换S2；z轴星座点坐标变换S3；实现基于星座位移变换的二级遮掩；其中
假设三维CAP星座图中的某个星座点Di＝(Di1,Di2,Di3)，星座点Di＝(Di1,Di2,Di3)经过位移变换后依次得到星座点坐标D′i＝(D′i1,D′i2,D′i3)，其中：
Figure FDA0003316250950000031
空间变换，将三维CAP星座图中的星座点分别进行空间变换，第三级遮掩因子S4i＝1～8中间的实数，S4ix、S4iy、S4iz分别为该遮掩因子对应空间的x、y、z轴的坐标点；根据第三级遮掩因子S4进行空间变换，经过位移变换后的星座点D′i经过空间变换后，星座点坐标变为D″i＝(D″i1,D″i2,D″i3)，其中：
Figure FDA0003316250950000041
经过三级遮掩因子对星座点进行加密后，对输出符号信息进行M倍上采样，得到上采样后的符号信息；
通过使用三个两两相互正交的滤波器对上采样后的符号信息进行成型滤波；
三路并行符号信息相加和，得到完整的加密调制信号。
8.如权利要求7所述的空间加密方法，其特征在于，
所述空间加密方法还包括：
接收到经过信道的加密调制信号后依次进行匹配滤波、下采样、基于空间变换的三级星座解密、基于位移变换的二级星座解密，根据最小欧氏距离判决方法，得到原始的符号信息、基于异或运算的一级比特解密，恢复出原始的比特序列。
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Applicant before: Changzhou Beiyou New Generation Information Technology Research Institute Co.,Ltd.

GR01 Patent grant
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