CN114142988B - 一种基于啁啾调制的高安全光传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明高安全光传输方法，基于OCDM对光通信系统进行混沌加密，使用一维的混沌模型产生混沌序列，扰乱OCDM的子载波的顺序，达到加密的效果，解密也采用相同的模型。由于本发明是对调制的子载波进行加密，不会破坏其正交性，运用了一维的混沌序列，在解调时，也减少了系统的复杂性，但保证了系统的加密特性，不用担心通信数据的泄露和干扰，是一种安全高效的OCDM的加密方案。同时，由于OCDM具有优良的抗干扰能力并可以有效地利用简单的单抽头频域均衡器，相比于其他系统，基于本发明中OCDM的光纤通信系统在表现出优良的传输性能同时，可保持类似的系统复杂度。

Description

一种基于啁啾调制的高安全光传输方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域的光传输技术以及加密技术，尤其涉及基于啁啾信号调制的方法。

背景技术

自20世纪60年代光纤通信技术发明以来，由于光纤技术具有低损耗，高带宽的性质，光纤通信技术成为目前唯一可以支持全球通信的通信系统，并且发展迅速。随着时代的发展，超高速微电子和数字电路的技术也得到了极大的提高，光纤通信技术也由此进入了全数字时代。数字信号技术及各种先进信号的调制、传输与检测技术应用于高速光纤技术，并且以每年40％的速度不断提高，满足了人们不断对高速数据服务的要求。然而，最近的研究表明，随着近些年通信技术的不断提升，5G，虚拟技术的不断发展，人们对数据服务的要求远远的大于高速光纤技术提高的速度，人们对于下一代通信容量的需求已经达到T比特以上，但是对于下一代通信标准的技术升级路线，目前仍然是一个开放性的问题。同时，由于数据数量的不断增加，数据的安全性也成为系统优化中必不可缺少的一部分。

随着正交频分复用(OFDM)技术的广泛应用，在光纤系统的应用环境中，光纤中存在的限制性因素并没有被消除，比如色散、非线性效应以及光信号的调制与检测方式。尽管用数字信号处理(DSP)技术可以补偿信号在光纤中的损失以及干扰，但是光纤中任然存在限制系统容量进一步提升的诸多因素。为克服这一系列的干扰，众多的学者开始对正交啁啾复用(OCDM)技术进行研究，由于正交的性质，可帮助其增加频带的利用率以及在解调时能够更容易识别各个载波。啁啾信号的特性，其频率一直在改变，增加了该系统的抗干扰性。在系统的安全性问题中，众多的学者开始利用混沌模型对星座图，载波，比特流等进行扰动，从物理层的设计来提高数据传输的安全性。

发明内容

本发明提出一种基于正交啁啾信号与混沌掩蔽的高安全光传输方案，充分利用了正交啁啾信号频率的特性与混沌模型产生序列的不可预测性，啁啾信号频率的不断改变以及正交性，提高系统的安全性和抗干扰性。

本发明提供的技术方案为：

一种基于啁啾调制的高安全光传输方法，利用混沌序列和置换矩阵扰动发射端的子载波顺序，以实现加密，其特征在于，所述加密的过程包括以下步骤：

S1)利用一维logistic映射模型产生混沌序列，所述logistic映射模型为：

x_l+1＝μx_l(1-x_l)

其中，x_l为在序列中l处的取值，l为自然数，μ为分支参数，μ∈(0,4)，x₀∈(0,1)；

S2)定义置换矩阵的初始矩阵为N×N的单位矩阵，其特点为主对角线上的元素均为1，其余为0，即：

S3)对所述初始混沌序列中的数值进行采样，使其每个采样点的数字为整数，获得由整数组成的混沌序列，之后以所述整数为行元素，按顺序将所有整数以两两为一组，构成1×2的行矩阵，在整数两两组对过程中，如果当前行矩阵第2列的整数元素与该行矩阵第1列的整数元素重复，或者当前矩阵当前列的整数元素与已有的其它1×2行矩阵同列的整数元素重复，则顺延取值，跳过重复的数字；

在获得由N个1×2行矩阵组成的目标混沌序列后，利用所述目标混沌序列对所述单位矩阵中1元素所在位置进行调整，得到置乱的置换矩阵，调整的规则为：

用目标混沌序列中第w个行矩阵的元素调整单位矩阵里第w行/列的1元素的位置，1≤w≤N，设所述的第w个行矩阵为[E_w,F_w],则原单位矩阵里第w行/列的1元素被调整到矩阵的第E_w行，第F_w列；

S4)将至乱的置换矩阵与子载波的初始矩阵相乘，得到加密后的子载波顺序。

在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：

进一步的，本发明方法还包括以下步骤：

信号发射端：通过QAM映射单元对其接收的原始数据进行处理，将数据映射到星座图上，完成QAM调制；然后将数据进行串/并转换，分成多路信号分别加载到啁啾信号不同的子载波上，在OCDM调制单元中进行逆菲涅尔离散变换，完成OCDM调制，此时各路子载波满足正交的特性，同时，在将数据加载到子载波之前，运用子载波混沌加密映射单元生成置乱的置换矩阵，对所述不同的子载波进行顺序的扰乱，完成混沌加密的过程；之后将数据进行并/串转换，将这一串数据通过数模转换变成实时的信号波形，并调制到光信号上，传输到信号接收端；

信号接收端：先将光信号转换成电信号，并通过模数转换将电信号转换为对应的数字信号，之后进行串/并转换的处理，在OCDM解调单元中进行菲涅尔离散变换和解密，完成OCDM解调，再在QAM解映射单元中完成解映射，最后再通过并/串变换对基带信号进行处理，恢复出原始数据。

进一步的，在所述信号发射端，完成逆菲涅尔离散变换后，在进行并/串转换之前，对数据进行增加保护间隔的操作；

在所述信号接收端，在进行串/并转换之后，进行菲涅尔离散变换之前，对数据进行移除保护间隔的操作。

作为优选，所述QAM映射单元采用16QAM。

进一步的，所述菲涅尔离散变换的定义式为：

其中，s(n)为离散OCDM信号，

是离散后第k个载波信号，x(k)为调制信号，N为载波的数量，n为时域的采样，j为虚数单位。

有益效果：

本发明高安全光传输方法，基于OCDM对光通信系统进行混沌加密，使用一维的混沌模型产生混沌序列，扰乱OCDM的子载波的顺序，达到加密的效果，解密也采用相同的模型。由于本发明是对调制的子载波进行加密，不会破坏其正交性，运用了一维的混沌序列，在解调时，也减少了系统的复杂性，但保证了系统的加密特性，不用担心通信数据的泄露和干扰，是一种安全高效的OCDM的加密方案。同时，由于OCDM具有优良的抗干扰能力并可以有效地利用简单的单抽头频域均衡器，相比于其他系统，基于本发明中OCDM的光纤通信系统在表现出优良的传输性能同时，可保持类似的系统复杂度。

附图说明

图1为基于啁啾调制的混沌加密系统模型；

图2为QAM调制流程图；

图3为信号发射端流程图；

图4为子载波混沌加密映射的流程图；

图5为logistic映射分叉图；

图6为子载波扰乱过程图；

图7为信号接收端流程图。

具体实施方式

为了进一步阐明本发明的技术方案，下面结合附图与具体实施例对本发明做详细的介绍。

本发明方法一种基于啁啾调制的高安全光传输方法，主要由星座映射、OCDM和混沌模型的扰动等构成，其数据传输流程为：

信号发射端：通过QAM映射单元对其接收的原始数据进行处理，将数据映射到星座图上，完成QAM调制，本专利以16个点为例，将其映射到星座图上；为了更好的反应点的信息，以及解调之后能够直观的判定系统性能，之后将数据进行串/并转换，分成多路信号分别加载到啁啾信号不同的子载波上，在OCDM调制单元中进行逆菲涅尔离散变换，完成OCDM调制，此时不同的子载波满足正交的特性，同时，在将数据加载到子载波之前，运用子载波混沌加密映射单元生成置乱的置换矩阵，对所述不同的子载波进行顺序的扰乱，完成混沌加密的过程；之后将数据进行并/串转换，将这一串数据通过数模转换变成实时的信号波形，并调制到光信号上，光信号通过环形器之后从光线路终端发出，通过光信道的传输，进入OCDM的接收机；

信号接收端：先将光信号转换成电信号，并通过抽样模数转换将电信号转换为对应的数字信号，之后进行串/并转换的处理，在OCDM解调单元中进行菲涅尔离散变换和解密(加密的逆过程)，完成OCDM解调(OCDM调制的逆过程)，再在QAM解映射单元中完成解映射，最后再通过并/串变换对基带信号进行处理，恢复出原始数据。

上述实施过程涉及的单元模块包括QAM映射单元、OCDM调制单元、子载波混沌加密单元、OCDM解调单元，QAM解映射单元，各单元的具体工作流程如下所述：

(1)QAM映射单元

本实施例以16QAM为例，其调制过程如图2所示，调制的流程为：

二进制比特流先进行串/并转换，然后映射成4个比特为一个符号，一共映射成16个符号，注意此时的映射关系是格雷码对应的各个点，此时已经进行了2-4的电平转换，之后两路分别乘上sinω_ct,cosω_ct,其中ω_c为角速度，t为时间，两路相加之后就完成了16QAM调制的过程。

(2)OCDM调制单元

如图3所示的发射端流程图，将接收到的数据先进行映射，然后进行逆菲涅尔离散变换(IDFnT)，在此过程中要增加保护间隔以防止数据间的串扰，再将并行的数据变化为串行，进行数模转换发送到信道之中。

本发明中OCDM系统的基本原理是菲涅耳变换，就像OFDM中的傅里叶变换一样，本发明利用离散菲涅耳变换(DFnT)实现OCDM系统。具体来说，逆DFnT(IDFnT)在发射端产生OCDM信号，然后DFnT在接收端恢复OCDM信号。在传统的CSS技术中，信息调制在线性频率调制(linear frequency modulated，LFM)的啁啾信号之中，从而大幅度增加了信号的带宽，使得CSS信号具有较高的抗干扰能力。但是在OCDM技术提出之前，并没有寻找并证明正交的啁啾信号存在，所以CSS技术的频谱利用率较低，只适合于低速通信以及通信可靠度要求较高的应用中。OCDM技术提出后，在给定带宽内，我们可以采用一组正交的啁啾信号达到奈奎斯特信号速率，使得OCDM在继承了CSS技术的可靠性同时，最大程度地利用了系统的频谱资源。相比于OFDM技术，OCDM在保持同样的频谱利用率的同时，具有更好的抗干扰能力。与传统的OFDM相比，本发明中OCDM信号是由一组正交的啁啾信号调制而成，参见公式(1)：

其中，s(n)为离散OCDM信号，

是离散后第k个载波信号，x(k)为调制信号，N为载波的数量，n为时域的采样，j为虚数单位。

上式是DFnT的定义式。

本发明提出了利用DFnT实现OCDM的有效数字实现，而不是利用插值模拟信号。上式中有两种模式，因此离散的正交啁啾信号可以表示为：

对于N为偶数：

对于N为奇数：

其中，s(n)为离散OCDM信号，s(t)为原始连续OCDM信号，

是离散后第k个载波信号，x(k)为调制信号，N为载波的数量，n为时域的采样，T为啁啾波形的周期。

离散的正交啁啾信号的表达式与DFnT的定义式相比，可看出是经IDFnT变化而来。该方法可以实现一组离散调制啁啾波形的合成。为了简化离散正交啁啾信号变化的形式，本发明方案用向量的形式进行表示x＝[x(0),x(1),…,x(N-1)]^T,因此时域离散的OCDM信号可以表示为：

其中，s为时域离散OCDM信号矩阵表示形式，x为调制信号矩阵表示形式，

为DFnT变化的简写表示形式。

(3)子载波混沌加密单元

本发明中子载波加密是通过混沌模型产生混沌序列对子载波的顺序进行扰乱。假使一共有N个子载波，即各个子载波的顺序可有N元二进制表示。再将这些序号生成N×N的矩阵，此矩阵为子载波顺序的初始矩阵。

本发明用logistic映射模型产生初始的混沌序列，之后对初始混沌序列进行处理，使接下来每个采样点的数值均为整数。例如，对初始混沌序列的每个数值扩大100倍，依次取每个数值上的个位和十位的数字，成为一组不可预知的整数序列等。采样获得整数来自于初始混沌序列的数值，但不限于一位数。

新生成的整列序列，以两两进行组合生成N个1×2的行矩阵，此矩阵用来变化单位矩阵里面的1的位置，即形成了最后所需的置换矩阵。所述logistic映射模型的映射公式参见公式(5)：

x_l+1＝μx_l(1-x_l) (5)

其中，x_l为在序列中l处的取值，μ为分支参数，μ∈(0,4)，x₀∈(0,1)。

logistic映射模型的分叉图如图5所示。

加密过程使用置换矩阵完成，定义置换矩阵的初始矩阵为N×N的单位矩阵，即：

其特点为主对角线为1，其余为0，即特殊的置换矩阵。

对所述初始混沌序列中的数字进行采样取整操作后，获得由整数组成的新的混沌序列，以所述整数为1×2矩阵的元素，按顺序将序列中的整数以两两为一组，构成1×2的行矩阵，在整数两两组对过程中，如果当前行矩阵第2列的整数元素与该行矩阵第1列的整数元素重复，或者当前矩阵当前列的整数元素与已有的其它行矩阵同列的整数元素重复，则在序列中顺延取值，跳过重复的数字。

在获得由N个1×2的行矩阵组成的目标混沌序列后，利用所述目标混沌序列对所述单位矩阵中1元素所在位置进行调整，得到置乱的置换矩阵，调整的规则为：

用所述目标混沌序列中第w个行矩阵的元素调整单位矩阵里第w行/列的1元素的位置，1≤w≤N，设所述的第w个行矩阵为[E_w,F_w],则原单位矩阵里第w行/列的1元素被调整到矩阵的第E_w行，第F_w列。

置换矩阵可扰乱任意的子载波顺序，本实施例的加密过程的核心即利用混沌模型产生的混沌序列对单位矩阵的1所在的位置进行调整。将取整后的混沌序列两两一组，组成1×2的新矩阵，例如：混沌序列5，6，9，4，1，2，3，5,125，15，114…,组成新的矩阵为[5,6],[9,4],[1,2],[3,5],[125,15]…,其个数与单位矩阵中的1的个数相同，即N个，但生成的矩阵要保证每行不能有重复的数字，每列也不能有重复的数字，如遇到重复的数字，即将混沌序列顺延产生，且混沌序列产生的数字的最大值不能超过N。

以128个子载波为例，其具体矩阵运算过程如图6所示。例如，生成的第一个1×2矩阵[4,1],其作用为将单位矩阵的第一行第一列的1转到第四行第一列；第二个1×2矩阵[1,3]，其作用为将单位矩阵的第二行第二列的1转到第一行第三列，以此类推其它1×2的混沌矩阵。

此时加密初始单位矩阵被扰乱成没有顺序的置换矩阵，最后一步再将置乱的置换矩阵与子载波的初始矩阵相乘，即可得到加密之后的子载波顺序。

(4)OCDM解调单元

加密OCDM信号通过OLT中的环行器后进入光纤通道，根据ODN中的分离器分配到对应ONU，通过环行器后进入OCDM接收机。

解调过程是加密过程的逆过程。对于OCDM的解调，在OCDM调制的接收端，主要用到DFnT变换，通过加密的逆变化即可恢复到原信号，其主要流程如图7所示：

首先通过光电转换，将光信号转换为电信号，此时信号为电信号，再通过模数转换，将模拟信号转化为数字信号，在数字域进行处理。通过DFnT后，对子载波加密的顺序进行解密处理。即根据前文得出的加密置换矩阵，算出加密置换矩阵的逆矩阵，完成一个逆过程，即可根据加密后的参数反向算出原始参数。

(5)QAM解映射单元

最后在QAM解映射单元中进行QAM的解映射，对序列上的符号进行数据判决解映射，即可完成QAM解调的过程。

本实施例基于OCDM对光通信系统进行混沌加密，使用一维的混沌模型产生混沌序列，扰乱OCDM的子载波的顺序，从而达到加密的效果。解密也采用相同的模型，极大的提高了用户通信的安全性，同时也提高了系统的抗干扰性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种基于啁啾调制的高安全光传输方法，利用混沌序列和置换矩阵扰动信号发射端的子载波顺序，以实现加密，其特征在于，所述加密的过程包括以下步骤：

S1)利用一维logistic映射模型产生初始混沌序列，所述logistic映射模型为：

x_l+1＝μx_l(1-x_l)

其中，x_l为在序列中l处的取值，l为自然数，μ为分支参数，μ∈(0,4)，x₀∈(0,1)；

S2)定义置换矩阵的初始矩阵为N×N的单位矩阵，其特点为主对角线上的元素均为1，其余为0，即：

S3)对所述初始混沌序列中的数值进行采样，使其每个采样点的数字为整数，获得由整数组成的混沌序列，之后以所述整数为行元素，按顺序将所有整数以两两为一组，构成1×2的行矩阵，在整数两两组对过程中，如果当前行矩阵第2列的整数元素与该行矩阵第1列的整数元素重复，或者当前矩阵当前列的整数元素与已有的其它1×2行矩阵同列的整数元素重复，则顺延取值，跳过重复的数字；

在获得由N个1×2行矩阵组成的目标混沌序列后，利用所述目标混沌序列对所述单位矩阵中1元素所在位置进行调整，得到置乱的置换矩阵，调整的规则为：

用目标混沌序列中第w个行矩阵的元素调整单位矩阵里第w行/列的1元素的位置，1≤w≤N，设所述的第w个行矩阵为[E_w,F_w],则原单位矩阵里第w行/列的1元素在扰乱后被调整到矩阵的第E_w行，第F_w列；

S4)将被置乱的置换矩阵与子载波的初始矩阵相乘，得到加密后的子载波顺序；

所述基于啁啾调制的高安全光传输方法的数据传输流程如下：

信号发射端：通过QAM映射单元对其接收的原始数据进行处理，将数据映射到星座图上，完成QAM调制；然后将数据进行串/并转换，分成多路信号分别加载到啁啾信号不同的子载波上，在OCDM调制单元中进行逆菲涅尔离散变换，完成OCDM调制，此时各路子载波满足正交的特性，同时，在将数据加载到子载波之前，运用子载波混沌加密映射单元生成置乱的置换矩阵，对所述不同的子载波进行顺序的扰乱，完成混沌加密的过程；之后将数据进行并/串转换，将这一串数据通过数模转换变成实时的信号波形，并调制到光信号上，传输到信号接收端；

信号接收端：先将光信号转换成电信号，并通过模数转换将电信号转换为对应的数字信号，之后进行串/并转换的处理，在OCDM解调单元中进行菲涅尔离散变换和解密，完成OCDM解调，再在QAM解映射单元中完成解映射，最后再通过并/串变换对基带信号进行处理，恢复出原始数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于啁啾调制的高安全光传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

在所述信号发射端，完成逆菲涅尔离散变换后，在进行并/串转换之前，对数据进行增加保护间隔的操作；

在所述信号接收端，在进行串/并转换之后，进行菲涅尔离散变换之前，对数据进行移除保护间隔的操作。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于啁啾调制的高安全光传输方法，其特征在于，所述QAM映射单元采用16QAM。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于啁啾调制的高安全光传输方法，其特征在于，所述菲涅尔离散变换的定义式为：

其中，s(n)为离散OCDM信号，

是离散后第k个载波信号，x(k)为调制信号，N为载波的数量，n为时域的采样，j为虚数单位。/>

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