CN114157497B - 一种基于块置乱的压缩感知ofdm-pon安全通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于块置乱的压缩感知OFDM‑PON安全通信系统，发送端与接收端通过光纤连接，光混沌发生器、光电转换器、抽样器、加法器依次连接；抽样器分别通过索序列生成器、混沌矩阵生成器连接块置乱器、乘法器，块置乱器通过乘法器连接加法器，加法器依次通过模数转换器、QAM调制器等连接电光转换器；电光转换器通过光纤连接接收端的光电转换器；光电转换器、去导频循环前缀器、串并变换器、FFT变换器、并串变换器、QAM去调制器、数模转换器；减法器、贝叶斯稀疏器、乘法器、逆向置乱器依次连接；二维离散余弦反变换器与乘法器连接；光混沌发生器依次通过光电转换器、抽样器与减法器连接；抽样器通过索引矩阵生成器与逆向置乱器连接。
Description
技术领域
本发明属于5G网络中图像保密通信与信息安全技术领域，具体涉及一种基于块置乱的压缩感知OFDM-PON安全通信系统。
背景技术
OFDM移动通信技术，其充分利用了频带资源，其用到的正交频分复用(OFDM)是一种利用互相正交的多子载波技术，OFDM-PON是一种无源光网络技术。首先将信息进行正交幅度调制(M-QAM)或者相移键控(M-PSK)调制，再调制到各个子载波上，将信号映射成复数符号，利用逆向快速傅里叶变换(IFFT)将信号变成时域信号，加上导频以及循环前缀，再通过电光转换，利用光纤传输信号。在接收端，通过光电转换，去掉导频和循环前缀，利用快速傅里叶变换(FFT)，将接收的信息转换成频域信息，再利用相干解调以及映射关系，解调出原始信息，其优点是能消除多径效应带来的符号间干扰。
压缩感知也被称作压缩采样或稀疏采样，是一种寻找欠定线性系统的稀疏解的技术。此技术利用信号稀疏的特性，能以从较少的测量值还原出原来整个欲得知的信号。压缩感知技术被广泛应用于图像处理领域，并且与OFDM通信系统相结合实现信息的快速传输，提高了信息交互的效率。但在现有技术还存在着通信安全问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于块置乱的压缩感知OFDM-PON安全通信系统。
本发明的创新之处在于，光混沌发生器产生的混沌序列经过抽样后，得到序列索引号，再将混沌值按升序排列，得到一个索引号序列。将图像值的矩阵进行分块，将每一块分配一个索引号。将混沌序列生成索引号序列中的数值，设置为图像分组中的索引号，由此打乱图像的原始块，实现块置乱。利用混沌序列的随机性，生成一个测量矩阵，与置乱后的图像矩阵进行相乘，得到压缩感知信号，感知信号再与混沌序列值进行相加，实现加密，变成二进制后，将此时的数字信息通过QAM调制，并利用逆向快速傅里叶变换(IFFT)将信号调制到各个子载波上，叠加变成时域信号，通过导入前缀、电光转换后经过光纤传输到接收端；在接收端，信号经过光电转换，去循环前缀，利用快速傅里叶变换(FFT)，将接收的信息转换成频域信息，再利用相干解调、数模转换后，再减去与发射端同步的混沌值，得到感知信号，通过贝叶斯稀疏器，得到稀疏信号，将此信号经过二维离散余弦反变换，得到置乱的图像信号。接收端光混沌发生器产生的混沌序列经过抽样后，得到序列索引号，再将混沌值按升序排列，得到一个索引号序列。将得到图像值的矩阵进行分块，将每一块分配一个索引号。将混沌序列生成索引号序列中的数值，设置为图像分组中的索引号，由此恢复图像的原始块，最后恢复出原始图像。
为了达到上述发明目的，本发明采取以下技术方案：
一种基于块置乱的压缩感知OFDM-PON安全通信系统，包括：包括发送端、接收端，发送端与接收端通过光纤传输信号；
发送端结构如下：光混沌发生器、第一光电转换器、第一抽样器、第一加法器依次连接；第一抽样器分别通过第一索序列生成器、混沌矩阵生成器连接块置乱器、第一乘法器，块置乱器通过第一乘法器连接第一加法器，第一加法器依次连接模数转换器、QAM调制器、第一串并变换器、IFFT变换器、第一并串变换器、循环前缀导入器、电光转换器；电光转换器通过光纤连接接收端的第三光电转换器，信号通过光纤传输后到达接收端；
接收端结构如下：第三光电转换器、去导频循环前缀器、第二串并变换器、FFT变换器、第二并串变换器、QAM去调制器、数模转换器；减法器、贝叶斯稀疏器、第二乘法器、逆向置乱器依次连接；二维离散余弦反变换器与第二乘法器连接；第二光混沌发生器依次通过第二光电转换器、第二抽样器与减法器连接；第二抽样器还通过第二索引矩阵生成器与逆向置乱器连接。作为优选方案，在发送端，光混沌发生器产生的混沌序列经过抽样后，得到序列索引号，再将混沌值按升序排列，得到一个索引号序列。将图像值的矩阵进行分块，将每一块分配一个索引号。将混沌序列生成索引号序列中的数值，设置为图像分组中的索引号，由此打乱图像的原始块，实现块置乱。
作为优选方案，在发送端，利用混沌序列的随机性，生成一个测量矩阵，与置乱后的图像矩阵进行相乘，得到压缩感知信号，感知信号再与混沌序列值进行相加，实现加密。
作为优选方案，在发送端，变成二进制后，将此时的数字信息通过QAM调制，并利用逆向快速傅里叶变换(IFFT)将信号调制到各个子载波上，叠加变成时域信号，通过第一并串变换器，转换成串行信号，通过导入前缀、电光转换后经过光纤传输到接收端；
作为优选方案，在接收端，信号接收后，通过光电转换、去导频循环前缀器后，利用第二串并变换器，将串行符号转换成并行符号。
作为优选方案，在接收端，利用快速傅里叶变换(FFT)，将接收的信息转换成频域信息。
作为优选方案，在接收端，利用数模转换后，再减去与发射端同步的混沌值，得到感知信号，通过贝叶斯稀疏器，得到稀疏信号，将此信号经过二维离散余弦反变换，得到置乱的图像信号。
作为优选方案，在接收端，接收端光混沌发生器产生的混沌序列经过抽样后，得到序列索引号，再将混沌值按升序排列，得到一个索引号序列。将得到图像值的矩阵进行分块，将每一块分配一个索引号。将混沌序列生成索引号序列中的数值，设置为图像分组中的索引号，由此恢复图像的原始块，最后恢复出原始图像。
本发明一种基于块置乱的压缩感知OFDM-PON安全通信系统原理与过程为：将图像按指定的大小分块，块大小不足则补零使其满足分块规则；光混沌发生器产生的混沌序列经过抽样后，得到序列索引号，再将混沌值按升序排列，得到一个索引号序列。上述图像值的矩阵进行分块，将每一块分配一个索引号。将混沌序列生成索引号序列中的数值，设置为图像分组中的索引号，由此打乱图像的原始块，实现块置乱。利用混沌序列的随机性，生成一个测量矩阵，与置乱后的图像矩阵进行相乘，得到压缩感知信号，感知信号再与混沌序列值进行相加，实现加密，变成二进制后，将此时的数字信息通过QAM调制，并利用逆向快速傅里叶变换(IFFT)将信号调制到各个子载波上，叠加变成时域信号，通过导入前缀、电光转换后经过光纤传输到接收端。
在接收端，信号经过光电转换，去循环前缀，利用快速傅里叶变换(FFT)，将接收的信息转换成频域信息，再利用相干解调、数模转换后，再减去与发射端同步的混沌值，得到感知信号，通过贝叶斯稀疏器，得到稀疏信号，将此信号经过二维离散余弦反变换，得到置乱的图像信号。接收端光混沌发生器产生的混沌序列经过抽样后，得到序列索引号，再将混沌值按升序排列，得到一个索引号序列。将得到图像值的矩阵进行分块，将每一块分配一个索引号。在逆向置乱器中将混沌序列生成索引号序列中的数值，设置为图像分组中的索引号，由此恢复图像的原始块，最后恢复出原始图像。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
本发明完成了5G网络中图像传输的安全性和高效性。本发明的安全性在于：将原始图像分成固定大小的块，由混沌序列置乱图像，如果不能同步混沌，即使知道置乱规则以及加密运算规则，也无法恢复出原始图像。本发明的高效性在于：利用压缩感知将图像压缩传输，减少了传输所需的网络带宽，提高了传输效率。
附图说明
图1为本发明实施例一种基于块置乱的压缩感知OFDM-PON安全通信系统的构架图。
图2为传输的原始图像。
图3为压缩感知图像。
图4为加密后的图像。
图5为贝叶斯学习中，最大似然函数随迭代次数的演化关系图，最后趋于平稳。
图6为恢复的图像。
其中：光混沌发生器1-1、第一光电转换器2-1、第一抽样器3-1、第一索序列生成器4-1、块置乱器5；混沌矩阵生成器7、第一乘法器6-1、第一加法器22、模数转换器8、QAM调制器9、第一串并变换器10-1、IFFT变换器11、第一并串变换器12-1；循环前缀导入器13、电光转换器14。第三光电转换器2-3、去导频循环前缀器15；第二串并变换器10-2、FFT变换器16、第二并串变换器12-2；QAM去调制器17、数模转换器18；减法器23、贝叶斯稀疏器19、第二乘法器6-2、二维离散余弦反变换器20；第二光混沌发生器1-2、第二光电转换器2-2、第二抽样器3-2、第二索引矩阵生成器4-2、逆向置乱器21。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，并获得其他的实施方式。
如图1所示，本实施例一种基于块置乱的压缩感知OFDM-PON安全通信系统，包括发送端和接收端，发送端和接收端之间通过光纤连接，具体连接关系如下：
发送端包括光混沌发生器1-1、第一光电转换器2-1、第一抽样器3-1、第一索序列生成器4-1、块置乱器5、混沌矩阵生成器7、第一乘法器6-1、第一加法器22、模数转换器8、QAM调制器9、第一串并变换器10-1、IFFT变换器11、第一并串变换器12-1、循环前缀导入器13、电光转换器14。
光混沌发生器1-1的右端口连接第一光电转换器2-1的左端口，第一光电转换器2-1的右端口连接第一抽样器3-1的左端口，第一抽样器3-1的上端第一端口连接第一索序列生成器4-1的下端口，第一索序列生成器4-1的上端口连接块置乱器5的下端口；第一抽样器3-1的上端第二端口连接混沌矩阵生成器7的下端口、第一抽样器3-1的右端口连接加法器22的下端口；图像信号接入块置乱器5，块置乱器5的右端口与第一乘法器6-1的左端口连接，第一乘法器6-1的右端口连接加法器22的左端口，加法器22的右端口与模数转换器8的左端口连接，模数转换器8的右端口连接QAM调制器9的左端口，QAM调制器9的右端口与第一串并变换器10-1的左端口连接，通过第一串并变换器10变成N路并行信号，第一串并变换器10的右侧N个端口连接到IFFT变换器11的左侧端口。
IFFT变换器11的右侧N个端口与第一并串变换器12-1的左侧N个端口连接，第一并串变换器12-1将并行序列转换成串行序列，第一并串变换器12-1的右侧端口与循环前缀导入器13的左侧端口连接，循环前缀导入器13的右端口与电光转换器14的左侧端口连接，信号经过电光转换后由光纤传输到接收端。
接收端包括第三光电转换器2-3、去导频循环前缀器15、第二串并变换器10-2、FFT变换器16、第二并串变换器12-2、QAM去调制器17、数模转换器18、减法器23、贝叶斯稀疏器19、第二乘法器6-2、二维离散余弦反变换器20、第二光混沌发生器1-2、第二光电转换器2-2、第二抽样器3-2、第二索引矩阵生成器4-2、逆向置乱器21。
第三光电转换器2-3通过光纤接收发送端的信号，第三光电转换器2-3的左端口与去导频循环前缀器15的右侧端口连接，去导频循环前缀器15的左侧端口连接第二串并变换器10-2的右侧端口连接，第二串并变换器10-2将串行信号转换成并行信号，第二串并变换器10-2左侧的N个端口与FFT变换器16的右侧端口连接。
FFT变换器16左侧的N端口与第二并串变换12-2的右侧N端口连接，第二并串变换器12-2的左侧端口连接QAM去调制器17的右侧端口，QAM去调制器17的左端口与数模转换器18的右侧端口连接，数模转换器18的左端口连接减法器23的右端口，减法器23的左端口连接贝叶斯稀疏器19的右侧端口，贝叶斯稀疏器19的左端口与第二乘法器6-2的右端口连接；二维离散余弦反变换器20的上端口连接第二乘法器6-2的下端口，第二乘法器6-2的左端口与逆向置乱器21的右侧端口连接；第二光混沌发生器1-2的右端口连接第二光电转换器2-2的左侧端口，第二光电转换器2-2的右侧端口连接第二抽样器3-2的左上端口，第二抽样器3-2的左下端口连接第二索引序列生成器4-2的上端口，第二抽样器3-2的右端口连接减法器23；第二索引序列生成器4-2的上端口与逆向置乱器21的上端口连接。
具体流程为将图像按指定的大小分块，块大小不足则补零使其满足分块规则；光混沌发生器产生的混沌序列经过抽样后，得到序列索引号，再将混沌值按升序排列，得到一个索引号序列。将图像值的矩阵进行分块，将每一块分配一个索引号。将混沌序列生成索引号序列中的数值，设置为图像分组中的索引号，由此打乱图像的原始块，实现块置乱。
利用混沌序列的随机性，在混沌矩阵生成器中生成一个测量感知矩阵，与置乱后的图像矩阵进行相乘，得到压缩感知信号，感知信号再与混沌序列值进行相加，实现加密，变成二进制后，将此时的数字信息通过QAM调制(正交幅度调制)，并利用逆向快速傅里叶变换(IFFT)将信号调制到各个子载波上，叠加变成时域信号，通过导入前缀、电光转换后经过光纤传输到接收端。
在接收端，信号经过光电转换，去循环前缀，利用快速傅里叶变换(FFT)，将接收的信息转换成频域信息，再利用数模转换后，在减法器中再减去与发射端同步的混沌值，得到感知信号，通过贝叶斯稀疏器，得到稀疏信号，将此信号在乘法器中，经过二维离散余弦反变换，得到置乱的图像信号。
接收端的光混沌发生器产生的混沌序列经过抽样器抽样后，得到序列索引号，再将混沌值按升序排列，得到一个索引号序列。将得到图像值的矩阵进行分块，将每一块分配一个索引号。在逆向置乱器中将混沌序列生成索引号序列中的数值，设置为图像分组中的索引号，由此恢复图像的原始块，最后恢复出原始图像。
上述完成了基于块置乱的压缩感知OFDM安全通信。
下面结合上述系统结构对本实施例的安全通信系统的原理作说明。
本发明中，接收端与发射端通过光纤连接。将图像按指定的大小分块，块大小不足则补零使其满足分块规则；光混沌发生器产生的混沌序列经过抽样后，得到序列索引号，再将混沌值按升序排列，得到一个索引号序列。将上述图像值的矩阵进行分块，将每一块分配一个索引号。将混沌序列生成索引号序列中的数值，设置为图像分组中的索引号，由此打乱图像的原始块，实现块置乱。利用混沌序列的随机性，生成一个测量矩阵，与置乱后的图像矩阵进行相乘，得到压缩感知信号，感知信号再与混沌序列值进行相加，实现加密，变成二进制后，将此时的数字信息通过QAM调制，并利用逆向快速傅里叶变换(IFFT)将信号调制到各个子载波上，叠加变成时域信号，通过导入前缀、电光转换后通过光纤传输到接收端。
在接收端，信号经过光电转换，去循环前缀，利用快速傅里叶变换(FFT)，将接收的信息转换成频域信息，利用相干解调、数模转换后，再减去与发射端同步的混沌值，得到感知信号，通过贝叶斯稀疏器，得到稀疏信号，将此信号经过二维离散余弦反变换，得到置乱的图像信号。接收端光混沌发生器产生的混沌序列经过抽样后，得到序列索引号，再将混沌值按升序排列，得到一个索引号序列。将得到图像值的矩阵进行分块，将每一块分配一个索引号。在逆向置乱器中将混沌序列生成索引号序列中的数值，设置为图像分组中的索引号，由此恢复图像的原始块，最后恢复出原始图像。
本发明实现通信的过程简要归纳如下：
1、光混沌发生器产生的混沌序列经过抽样后，得到序列索引号，再将混沌值按升序排列，得到一个索引号序列。
2、将图像值的矩阵进行分块，将每一块分配一个索引号。将混沌序列生成索引号序列中的数值，设置为图像分组中的索引号，由此打乱图像的原始块，实现块置乱。
3、利用混沌序列的随机性，生成一个测量矩阵，其测量基是正交的。与置乱后的图像矩阵进行相乘，得到压缩感知信号，感知信号再与混沌序列值进行相加，实现加密。
4、变成二进制后，将此时的数字信息通过QAM调制，并利用逆向快速傅里叶变换(IFFT)将信号调制到各个子载波上
5、信号接收后利用快速傅里叶变换(FFT)，将接收的信息转换成频域信息。
6、数模转换后，再减去与发射端同步的混沌值，得到感知信号，通过贝叶斯稀疏器，得到稀疏信号，将此信号经过二维离散余弦反变换，得到置乱的图像信号。
7、接收端光混沌发生器产生的混沌序列经过抽样后，得到序列索引号，再将混沌值按升序排列，得到一个索引号序列。
8、将混沌序列生成索引号序列中的数值，设置为图像分组中的索引号。最终恢复出原始信号。
以上对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于块置乱的压缩感知OFDM-PON安全通信系统，包括发送端、接收端，发送端与接收端通过光纤传输信号，其特征在于：
发送端结构如下：光混沌发生器(1-1)、第一光电转换器(2-1)、第一抽样器(3-1)、第一加法器(22)依次连接；第一抽样器(3-1)通过第一索序列生成器(4-1)连接块置乱器(5)，第一抽样器(3-1)通过混沌矩阵生成器(7)连接第一乘法器(6-1)，块置乱器(5)通过第一乘法器(6-1)连接第一加法器(22)，第一加法器(22)依次连接模数转换器(8)、QAM调制器(9)、第一串并变换器(10-1)、IFFT变换器(11)、第一并串变换器(12-1)、循环前缀导入器(13)、电光转换器(14)；电光转换器(14)通过光纤连接接收端的第三光电转换器(2-3)；
接收端结构如下：第三光电转换器(2-3)、去导频循环前缀器(15)、第二串并变换器(10-2)、FFT变换器(16)、第二并串变换器(12-2)、QAM去调制器(17)、数模转换器(18)；减法器(23)、贝叶斯稀疏器(19)、第二乘法器(6-2)、逆向置乱器(21)依次连接；二维离散余弦反变换器(20)与第二乘法器(6-2)连接；第二光混沌发生器(1-2)依次通过第二光电转换器(2-2)、第二抽样器(3-2)与减法器(23)连接；第二抽样器(3-2)还通过第二索引矩阵生成器(4-2)与逆向置乱器(21)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于块置乱的压缩感知OFDM-PON安全通信系统，其特征在于，在发送端，光混沌发生器(1-1)产生的混沌序列经过抽样后，得到序列索引号，再将混沌值按升序排列，得到一个索引号序列。
3.根据权利要求2所述的一种基于块置乱的压缩感知OFDM-PON安全通信系统，其特征在于，块置乱器(5)将图像值的矩阵进行分块，将每一块分配一个索引号；第一索序列生成器(4-1)将混沌序列生成索引号序列中的数值，设置为图像分组中的索引号，由此打乱图像的原始块，实现块置乱。
4.根据权利要求3所述的一种基于块置乱的压缩感知OFDM-PON安全通信系统，其特征在于，在发送端，混沌矩阵生成器(7)利用混沌序列的随机性，生成一个测量矩阵，与置乱后的图像矩阵进行相乘，得到压缩感知信号，感知信号再与混沌序列值进行相加，实现加密。
5.根据权利要求4所述的一种基于块置乱的压缩感知OFDM-PON安全通信系统，其特征在于，在发送端，加密的信号经过模数转换器(8)变成二进制后，将此时的数字信息通过QAM调制器(9)的调制，并利用IFFT变换器(11)将信号调制到各个子载波上，叠加变成时域信号，通过第一并串变换器(12-1)转换成串行信号，通过导入前缀、电光转换后通过光纤传输到接收端。
6.根据权利要求5所述的一种基于块置乱的压缩感知OFDM-PON安全通信系统，其特征在于，在接收端，信号接收后，通过光电转换、去导频循环前缀器后，利用第二串并变换器(10-2)将串行符号转换成并行符号；利用FFT变换器(16)将接收的信息转换成频域信息。
7.根据权利要求6所述的一种基于块置乱的压缩感知OFDM-PON安全通信系统，其特征在于，在接收端，利用数模转换器(18)进行数模转换后，减去与发射端同步的混沌值，得到感知信号，通过贝叶斯稀疏器(19)，得到稀疏信号，将此信号经过二维离散余弦反变换，得到置乱的图像信号。
8.根据权利要求7所述的一种基于块置乱的压缩感知OFDM-PON安全通信系统，其特征在于，接收端的光混沌发生器产生的混沌序列经过抽样后，得到序列索引号，第二索引矩阵生成器(4-2)将混沌值按升序排列，得到一个索引号序列；将得到图像值的矩阵进行分块，将每一块分配一个索引号；将混沌序列生成索引号序列中的数值，设置为图像分组中的索引号，由此恢复图像的原始块，恢复出原始图像。
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| CN101263677A (zh) * | 2005-07-22 | 2008-09-10 | 高通股份有限公司 | 用于具有通过使用多个置乱代码而增大的容量的wcdma的sdma |
| CN111050020A (zh) * | 2019-11-12 | 2020-04-21 | 河南大学 | 基于压缩感知和双随机加密机制的彩色图像压缩加密方法 |
| CN112769538A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-05-07 | 杭州电子科技大学 | 一种时间延迟签名隐藏的安全通信系统 |
| CN113285736A (zh) * | 2021-04-26 | 2021-08-20 | 杭州电子科技大学 | 一种基于正交幅度调制的混沌扩频安全通信系统 |
-
2021
- 2021-12-07 CN CN202111482898.7A patent/CN114157497B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 基于压缩感知和变参数混沌映射的图像加密;梁亚茹 等;光电子・激光;20150315(第03期);全文 * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114157497A (zh) | 2022-03-08 |
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