CN114189418B - 一种基于选择映射法降低papr的高安全光接入系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于选择映射法降低PAPR的高安全光接入系统，在发射端生成两组掩蔽因子，这两组掩蔽因子先合成一组长度为M*N随机相位向量，然后再将其分成M组长度为N的随机相位向量，根据SLM算法原理提取每一组分别作用于N路统计独立的OFDM符号，并根据相应的旋转相位向量对其相位信息做随机修改，选择其中具有最小PAPR值的一路旋转后的OFDM符号及相应的旋转相位向量用于传输。本发明在利用选择映射算法（SLM）对OFDM通信系统实现PAPR降低的同时，又巧妙地实现了对通信系统的加密，在提升通信性能的同时，可确保通信的安全性，有效的降低了通信系统的运行成本和工作效率，且操作方便，适合推广使用。

Description

一种基于选择映射法降低PAPR的高安全光接入系统

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，尤其是通过选择映射法实现混沌加密。

背景技术

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM) 是一种特殊的多载波调制技术，由于其具有抗多径衰落能力强、频谱效率高、带宽扩展性强、频谱资源分配灵活及硬件实现简单等众多优良特性，现已被众多通信标准引为其核心技术，且目前已被下一代移动通信标准确定为其核心技术之一。

然而，由于OFDM采用正交多载波并行传输数据，该技术还存在一定的缺陷，存在较高的峰值平均功率比就是其中之一。针对该问题许多学者都进行了细致深入的研究。出于对升级系统成本高和设计难度大问题的考虑，目前，研究降低OFDM系统中的高峰均功率比(Peak-to-Average Power Ratio,PAPR)技术主要有以下三类：畸变类技术、编码技术以及概率类扰码技术。由于在OFDM系统中，出现高是一个概率性事件，因此，概率类技术主要着眼于降低系统出现峰值的概率，而不是降低信号幅度的最大值。选择映射法(SelectedMapping,SLM) 是其中较为突出的一种算法，用多个固定的但完全不同的旋转向量来产生多个独立的向量来表示相同的信息,选择时域信号具有最小PAPR值的一路进行传输。为了恢复原始信息,接收端必须知道发送端选择的哪一路信号进行传送的，解决方法是将选择的支路序号作为边带信息一起传送给接收端。

同时，随着通信技术的迅猛发展，人们对通信安全的需求也越来越高。混沌信号凭借其宽带、类噪声和不可长期预测的独特优势，在保密通信领域吸引了国内外研究学者的广泛关注。

因此本专利申请提出了一种基于选择映射法降低PAPR的高安全光接入系统，目的在于将选择映射法与混沌加密算法有效的结合起来，应用到OFDM系统中。

发明内容

本发明针对OFDM系统中面临的PAPR过高的问题以及由于光网络容量急剧增长带来的接入网系统安全性问题，提出了一种基于选择映射法降低PAPR的高安全光接入系统方案，以期达到既能提高OFDM的信号质量又能增强通信安全的目的。

为实现上述技术目的，本发明提供的技术方案为：

一种基于选择映射法降低PAPR的高安全光接入系统，其发射端设有OFDM 调制模块和生成混沌序列秘钥的混沌置乱模块，所述混沌置乱模块与OFDM调制模块连接，其特征在于，系统发射端通过秘钥加密数据的过程包括以下步骤：

设在一个符号周期内，OFDM调制模块的子载波数为N，系统输入的二进制数据经过数据调制后生成的调制信号为X，映射后的数据X进行串并转换成N个并行的数据流，即X＝[X₀，X₁，…，X_N-1]，其第n路子载波上的数据流表示为X_n，n∈ (0，N-1)；

设在SLM算法中，随机相位向量矩阵P是一个N×M的矩阵，由相互独立的 M组长度为N的随机相位向量组成，即P＝[P⁽⁰⁾，P⁽¹⁾，P⁽²⁾，...，P^(M-1)]，其第m个随机相位向量P^(m)的第n个元素表示为

在混沌置乱模块中，利用LSS混沌模型和LTS混沌模型分别生成两组伪随机数，所述LSS混沌模型为：

x_n+1＝LSS(r，x_n)＝(rx_n(1-x_n)+(4-r)sin(πx_n)/4)mod1 (1)

所述LTS混沌模型为：

式中，r是分岔系数，x_n、y_n为迭代计算产生的数值，通过设置初始值x₀、y₀启动混沌映射，同时满足条件

SLM算法中，所述随机相位向量的元素转换到复平面可用一个点来表示，则用所述LSS混沌模型产生的序列数值生成该点的实部，LTS混沌模型产生的序列数值生成该点的虚部，之后从LSS混沌模型和LTS混沌模型生成的两组伪随机数中，选择满足

条件的数值组合，生成一组长度为M×N的向量

然后再将其分成M组长度为N的向量，构成混沌矩阵

用所述混沌矩阵的元素构成

从所述混沌矩阵中提取序列，即可获得M 组幅度为1，长度为N的随机相位向量P^(m)；

之后，将经过串并转换的各路数据流X_n分别与M组随机相位向量P^(m)的对应元素相乘，得到M组相位旋转后的数据信号，称为M组备选信号，对经过相位旋转处理的M组备选信号分别做IFFT运算，生成M组OFDM发送符号；

依据预设的指标，从这M组OFDM发送符号中选取一组具有最小PAPR值的信号进行发送。

在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：

作为优选，r∈(0,4)，x₀、y₀∈(0,1)，此时，LSS、TLS混沌模型具有良好的混沌行为。

作为优选，所述指标由互补累积分布函数CCDF确定，CCDF的定义为PAPR 超过某一给定门限阈值的概率:

P{PAPR＞λ}＝1-(1-e^-λ)^N (4)

式中，阈值λ是根据与没有进行随机相位变化的OFDM信号的PAPR值进行比较确定下来的。

有益效果：

本发明高安全光接入系统在利用选择映射算法(SLM)对OFDM通信系统实现PAPR降低的同时，又巧妙地实现了对通信系统的加密，在提升通信性能的同时，可确保通信的安全性，有效的降低了通信系统的运行成本和工作效率，且操作方便，适合推广使用。

附图说明

图1为本发明基于选择映射法降低PAPR的高安全光接入系统的模型图；

图2为系统发送端的数据处理流程图；

图3为混沌矩阵生成的流程图；

图4选择映射调制的流程图。

图5为系统发送端的数据处理流程图。

具体实施方式

为了阐明本发明的技术方案和工作原理，下面结合附图与具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明一种基于选择映射法降低PAPR的高安全光接入系统主要由发送端、接收端、混沌置乱模块和光纤信道组成。该系统采用正交频分复用技术(OrthogonalFrequency Division Multiplexing,OFDM)，首先由生成混沌序列秘钥的混沌置乱模块生成混沌矩阵，然后在发送端利用SLM算法实现混沌与OFDM系统的完美结合，在此过程中也达到了降低OFDM信号PAPR的目的。该系统接收端则是通过从接收到的数据中找出相应的掩蔽因子编号，通过OFDM 解调技术，得到发送端所传输的数据。将混沌置乱模块与SLM算法的结合是本发明核心特点，主要应用在发送端，下面具体介绍一下发送端部分。

本发明系统发送端的数据处理流程如图2所示：

所述OFDM调制模块包括编码模块、映射调制模块和混沌选择映射模块，二进制数据流首先进行编码，提升信息传输有效性，然后经过映射调制进入混沌选择映射模块，通过SLM算法找出一组具有最小PAPR值的OFDM信号进行传输，接着再将具有最小PAPR值信号的编号置于发送数据之前，然后加循环前缀、并串变换、电光转换的处理后进行发送。

关于所述混沌置乱模块，本模块采用logistic sine system(LSS)(见公式 (1))和logistic tent system(LTS)(见公式(2))两个混沌模型分别去生成两组伪随机数。

x_n+1＝LSS(r,x_n)＝(rx_n(1-x_n)+(4-r)sin(πx_n)/4)mod1 (1)

其中，r是分岔系数，当r∈(0,4)和x₀、y₀∈(0，1)时，LSS、LTS混沌模型具有良好的混沌行为，同时满足条件

由于根据SLM算法第m个随机相位向量P^(m)的第n个元素

可以表示成

式中,j为虚数单位，D为随机生成的复数x_n+jy_n的模，即为1；e为自然对数的底；

后面的半括号与圆括号表示将相移360度等分成n份，做到不重复。故将其转换到复平面可以用一个点来表示,LSS混沌模型用来生成实部，LTS混沌模型用来生成虚部，选择满足

条件的随机序列组合成一组，生成一组长度为M×N随机相位向量 {P^(m)}，然后再将其分成M组长度为N的随机相位向量变成混沌矩阵，以备提取序列。所述混沌矩阵的生成过程如图3所示。

关于所述混沌选择映射模块，本方案在这一模块中将混沌加密与降低PAPR 很好地结合在一起。所利用到的SLM算法是通过适当选取随机相位旋转因子，改变原始信号的相位组合，最后使得OFDM系统中传输的信号具有较小的PAPR 值的现有技术，故不再赘述。在一个符号周期内，假设OFDM调制模块的子载波数为N,系统输入的二进制数据经过数据调制后生成的调制信号为X；再将映射后的数据X进行串并转换成N个并行的数据流，即X＝[X₀,X₁,…,X_N-1]。经过串并转换的数据分别与M组幅度为1，长度为N的随机相位向量P^(m)相乘，得到M组相位旋转后的数据信号X’_m，称为M组备选信号。即：

X_m’＝X·P^(m) (3)

其中,P^(m)＝[P⁽⁰⁾,P⁽¹⁾,P⁽²⁾,…,P^(M-1)]。对经过相位旋转处理的M组备选信号分别做IFFT运算，生成M组OFDM发送符号，如图4所示。

最后依据降低PAPR技术研究中的指标—互补累积分布函数(ComplementaryCumulative Distribution Function,CCDF)，从这M组OFDM 发送符号中选取一个具有最小PAPR值的信号进行发送。

CCDF的定义为PAPR超过某一给定门限阈值的概率:

P{PAPR＞λ}＝1-(1-e^-λ)^N (4)

其中，阈值λ是根据与没有进行随机相位变化的OFDM信号的PAPR值进行比较确定下来的。

本发明系统接收端的数据处理流程如图5所示。混沌置乱模块应用于接受端，相比于发送端较为简单。首先经过去除循环前缀操作后可快速将最佳随机相位向量编号提取，然后再通过生成密钥的混沌矩阵提取出自己想要的那个序列，最后经过反运算可以得到映射数据，映射解调即可将得到开始传输的信息。

综上所述，即本发明系统在发射端生成两组长度为M×N的掩蔽因子，这两组掩蔽因子先合成一组长度为M×N随机相位向量，然后再将其分成M组长度为 N的随机相位向量，根据SLM算法原理提取每一组分别作用于N路统计独立的 OFDM符号，并根据相应的旋转相位向量对其相位信息做随机修改，选择其中具有最小PAPR值的一路旋转后的OFDM符号及相应的旋转相位向量用于传输。接收端则首先通过密钥提取出相应的旋转相位向量，再通过旋转相位向量对OFDM 符号进行恢复，最后得到相应的传输数据。本发明方案相较于传统的通信加密方式，在提升通信安全的同时可以最大化的提升光通信系统的性能，在光通信领域具有广阔的应用前景。

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 (3)

1.一种基于选择映射法降低PAPR的高安全光接入系统，其发射端设有OFDM调制模块和生成混沌序列秘钥的混沌置乱模块，所述混沌置乱模块与OFDM调制模块连接，其特征在于，系统发射端通过秘钥加密数据的过程包括以下步骤：

设在一个符号周期内，OFDM调制模块的子载波数为N,系统输入的二进制数据经过数据调制后生成的调制信号为X，映射后的数据X进行串并转换成N个并行的数据流，即X＝[X₀,X₁,…,X_N-1]，其第n路子载波上的数据流表示为X_n,n∈(0，N-1)；

设在SLM算法中，随机相位向量矩阵P是一个N×M的矩阵，由相互独立的M组长度为N的随机相位向量组成，即P＝[P⁽⁰⁾，P⁽¹⁾，P⁽²⁾，...，P^(M-1)]，其第m个随机相位向量P^(m)的第n个元素表示为P_n ^(m)，m∈(0，M-1)；

在混沌置乱模块中，利用LSS混沌模型和LTS混沌模型分别生成两组伪随机数，所述LSS混沌模型为：

x_n+1＝LSS(r,x_n)＝(rx_n(1-x_n)+(4-r)sin(πx_n)/4)mod1 (1)

所述LTS混沌模型为：

式中，r是分岔系数，x_n、y_n为迭代计算产生的数值，通过设置初始值x₀、y₀启动混沌映射，同时满足条件x_n ²+y_n ²＝1；

SLM算法中，所述随机相位向量的元素转换到复平面可用一个点来表示，则用所述LSS混沌模型产生的序列数值生成该点的实部，LTS混沌模型产生的序列数值生成该点的虚部，之后从LSS混沌模型和LTS混沌模型生成的两组伪随机数中，选择满足x_n ²+y_n ²＝1条件的数值组合，生成一组长度为M×N的向量

然后再将其分成M组长度为N的向量,构成混沌矩阵

用所述混沌矩阵的元素构成

从所述混沌矩阵中提取序列，即可获得M组幅度为1，长度为N的随机相位向量P^(m)；

之后，将经过串并转换的各路数据流X_n分别与M组随机相位向量P^(m)的对应元素相乘，得到M组相位旋转后的数据信号，称为M组备选信号，对经过相位旋转处理的M组备选信号分别做IFFT运算，生成M组OFDM发送符号；

依据预设的指标，从这M组OFDM发送符号中选取一组具有最小PAPR值的信号进行发送。

2.根据权利要求1所述的一种基于选择映射法降低PAPR的高安全光接入系统，其特征在于，r∈(0，4)，x₀、y₀∈(0，1)。

3.根据权利要求1所述的一种基于选择映射法降低PAPR的高安全光接入系统，其特征在于，所述指标由互补累积分布函数CCDF确定，CCDF的定义为PAPR超过某一给定门限阈值的概率:

P{PAPR＞λ}＝1-(1-e^-λ)^N (4)

式中，阈值λ是根据与没有进行随机相位变化的OFDM信号的PAPR值进行比较确定下来的。

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