CN114257368A - 基于浮动概率和冒泡排序加密的ofdm传输方法、装置 - Google Patents

基于浮动概率和冒泡排序加密的ofdm传输方法、装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于浮动概率和冒泡排序加密的OFDM传输方法、装置，所述方法包括：对进行正交振幅调制的载波，根据混沌序列获取对应的掩蔽向量的向量值，依次将功率等级较高的矢量端点转移至功率等级较低的矢量端点；对进行OFDM调制的载波，将每个资源块对应扰动因子的数值，按照扰动因子的数值大小对资源块进行排列；接收传输的载波后，使用扰动因子序列和掩蔽向量进行解密。采用上述技术方案，增加低幅度值矢量端点出现的概率，减少信号受到的非线性影响，有效降低系统平均功率，提升系统的抗噪音能力，同时提升系统容量，并且系统的安全性也有保证。

Description

基于浮动概率和冒泡排序加密的OFDM传输方法、装置
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于浮动概率和冒泡排序加密的OFDM传输方法、装置。
背景技术
随着科技的快速发展，无线通信技术是目前应用最广泛的技术之一，并且是迄今为止通信行业增长最快的部分，而通信安全成为通信技术关注的重点内容，特别是正交频分复用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术的数据信息传输安全。
在现有技术中，OFDM数据信息传输系统中具有多种的加密方法，但存在的问题是，在传输过程中，经过加密的载波容易受到外界噪音的干扰，进而导致系统的误码率较高，系统的抗噪音能力较弱。
发明内容
发明目的：本发明提供一种基于浮动概率和冒泡排序加密的OFDM传输方法、装置，旨在基于混沌模型的加密，依次将功率等级较高的矢量端点转移至功率等级较低的矢量端点，由此增加低幅度值矢量端点出现的概率，减少信号受到的非线性影响，有效降低系统平均功率，提升系统的抗噪音能力，同时提升系统容量。
技术方案：本发明提供一种基于浮动概率和冒泡排序加密的OFDM传输方法，包括：基于混沌模型提取的混沌序列，获取对应混沌序列的掩蔽向量；对进行正交振幅调制的载波，根据混沌序列获取对应的掩蔽向量的向量值，依次将功率等级较高的矢量端点转移至功率等级较低的矢量端点；基于混沌模型提取的混沌序列，获取扰动因子序列，其中扰动因子的数量对应于OFDM矩阵划分的资源块数量；对进行OFDM调制的载波，将每个资源块对应扰动因子的数值，按照扰动因子的数值大小对资源块进行排列；接收传输的载波后，使用扰动因子序列和掩蔽向量进行解密。
具体的，对进行正交振幅调制的载波，之前对载波进行串并转换；使用扰动因子序列和掩蔽向量进行解密，之后对载波进行并串转换。
具体的，对混沌序列进行采样和数字运算，得到掩蔽向量。
具体的，从四维超混沌模型中提取混沌序列Xn、Yn和Zn，分别进行采样得到采样序列xm、ym和zm；对采样序列分别进行取余和取整运算，得到掩蔽向量xn、yn和zn。
具体的，在与特定功率等级的矢量端点对应的掩蔽向量的向量值不为0时，将对应功率等级的矢量端点转移至低一级的功率等级的矢量端点；从功率等级最高的矢量端点开始，依次进行转移。
具体的，对混沌序列进行采样和数字运算，得到扰动因子序列。
具体的，载波进入传输之前，进行快速傅里叶逆变换；接收传输的载波后，进行快速傅里叶变换。
具体的，所述载波的传输过程包括：发射端：经过加密的载波传入任意波形发生器中产生电信号，通过强度调制器加载至光载波中，经过分束器后进入模式复用器中进行模式复用，进入少模光纤进行传输；接收端：接收的光载波进入模式复用器进行模式解复用，通过光纤放大器对光载波进行增强处理，由光电探测器将光信号转换成电信号，接入至示波器中。
具体的，采用高斯白噪声信道作为模拟传输信道。
本发明还提供一种基于浮动概率和冒泡排序加密的OFDM传输装置，包括发送端和接收端，所述发送端包括浮动概率加密单元和冒泡排序加密单元，其中：
所述浮动概率加密单元，用于基于混沌模型提取的混沌序列，获取对应混沌序列的掩蔽向量；对进行正交振幅调制的载波，根据混沌序列获取对应的掩蔽向量的向量值，依次将功率等级较高的矢量端点转移至功率等级较低的矢量端点；
所述冒泡排序加密单元，用于基于混沌模型提取的混沌序列，获取扰动因子序列，其中扰动因子的数量对应于OFDM矩阵划分的资源块数量；对进行OFDM调制的载波，将每个资源块对应扰动因子的数值，按照扰动因子的数值大小对资源块进行排列；
所述接收端，用于接收传输的载波后，使用扰动因子序列和掩蔽向量进行解密。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：考虑了矢量端点分布图内各端点能量消耗不同，维持端点的几何位置不变，通过降低高幅度值端点出现的概率，增加低幅度值端点出现的概率，来减少信号受到的非线性影响，同时有效降低平均功率，在相同发射功率下降低了系统误码率，在信噪比不变的情况下，信号发射功率越小，整个系统的抗噪声能力越强，进一步实现信噪比功率的有效提升，使系统容量更接近信道的香农极限。
附图说明
图1为本发明提供的OFDM传输方法的系统流程示意图；
图2为本发明提供的超混沌映射的示意图；
图3为本发明提供的浮动概率原理的示意图；
图4a为本发明提供的原始矢量端点的传输仿真示意图；图4b为本发明提供的浮动概率加密处理后矢量端点的传输仿真示意图；
图5为本发明提供的冒泡排序加密原理的示意图；
图6为本发明提供的OFDM传输系统的示意图；
图7为本发明提供的OFDM传输系统的误码率的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
参阅图1，其为本发明提供的OFDM传输方法的系统流程示意图。
本发明实施例中，发送端的数据首先经过串并变换，通过浮动概率星座映射加密，再进入OFDM调制，最后通过IFFT（快速傅里叶逆变换）进入传输系统，其中，通过混沌模型产生的密钥包括掩蔽向量和扰动因子，掩蔽向量进行浮动概率加密处理，扰动因子在OFDM调制中进行扰动；接收端和发送端相反，经过传输系统的信号首先经过FFT（快速傅里叶变换），进入OFDM解调进行解扰，再通过浮动概率星座解映射进行解密，最后并串变换导出数据，其中掩蔽向量和扰动因子和发送端一致。
在具体实施中，QAM（Quadrature Amplitude Modulation），也即正交振幅调制，是用两路独立的基带信号对两个相互正交的同频载波进行抑制载波双边带调幅，利用这种已调信号的频谱在同一带宽内的正交性，实现两路并行的数字信息的传输，该调制方式通常有二进制QAM（4QAM）、四进制QAM（l6QAM）、八进制QAM（64QAM）…，对应的空间信号矢量端点（星座点）分布图称为星座图，本发明适用于16QAM、32QAM和64QAM等调制格式。
本发明实施例中，采用四维超混沌模型，生成掩蔽向量和扰动因子，混沌模型如下：
dx/dt=a(y-x)
dy/dt=cx-xz-w
dz/dt=-bz+xy
dw/dt=dx
其中，x、y、z和w分别为系统的混沌序列状态变量，a、b、c和d分别为系统的参数，t为时间参数。当参数a=35，b=3，c=33，d=8时，系统存在典型的超混沌吸引子，混沌吸引子如图2所示。
本发明实施例中，基于混沌模型提取的混沌序列，获取对应混沌序列的掩蔽向量；对进行正交振幅调制的载波，根据混沌序列获取对应的掩蔽向量的向量值，依次将功率等级较高的矢量端点转移至功率等级较低的矢量端点。
本发明实施例中，对混沌序列进行采样和数字运算，得到掩蔽向量。
本发明实施例中，从四维超混沌模型中提取混沌序列Xn、Yn和Zn，分别进行采样得到采样序列xm、ym和zm；对采样序列分别进行取余和取整运算，得到掩蔽向量xn、yn和zn。
本发明实施例中，在与特定功率等级的矢量端点对应的掩蔽向量的向量值不为0时，将对应功率等级的矢量端点转移至低一级的功率等级的矢量端点；从功率等级最高的矢量端点开始，依次进行转移。
在具体实施中，以16QAM调制格式为例，参阅图3，将16QAM的星座点划分为3个功率等级，功率等级1是前两个比特为“00”的星座点，功率等级2是前两个比特为“01”或“10”的星座点，功率等级3是前两个比特为“11”的星座点。通过浮动概率星座映射的处理，改变了功率等级3的星座点出现概率，提高星座点内圈的发送概率，即提高“00”星座点的出现概率。
在具体实施中，从上述超混沌模型提取出三组混沌序列Xn、Yn和Zn，为了提高系统的密钥空间，可以对这三组混沌序列进行采样得到xm、ym和zm，对xm利用取余函数mod进行取余处理，再通过取整函数floor，得到掩蔽向量xn，对功率等级3的星座点进行掩蔽，当xn的值为0时，数据保持原星座点不变；当xn的值为1时，数据从功率等级3的星座点“11XX”转移到功率等级2的星座点“01XX”中；当xn的值为2时，数据从功率等级3的星座点“11XX”转移到功率等级2的星座点“10XX”中。
在具体实施中，对ym和zm进行取余处理，得到掩蔽向量yn和zn，对功率等级2的星座点进行掩蔽，当yn的值为0时，数据保持原星座点不变；当yn的值为1时，数据从功率等级2的星座点“10XX”转移到功率等级1的星座点“00XX”中；当zn的值为0时，数据保持原星座点不变；当zn的值为1时，数据从功率等级2的星座点“01XX”转移到功率等级1的星座点“00XX”中。
在具体实施中，掩蔽向量采用如下公式计算：
xn=floor(mod(xm×103，3))
yn=floor(mod(ym×103，2))
zn=floor(mod(zm×103，2))
在具体实施中，密钥进行处理生成掩蔽向量，首先对最外层星座点进行掩蔽处理，按规则向第二层星座点转移，再对第二层星座点进行分组掩蔽处理，向最内层星座点转移，从而实现浮动概率加密处理，有效提高了星座点的利用率。考虑了矢量端点分布图内各端点能量消耗不同，维持端点的几何位置不变，通过降低高幅度值端点出现的概率，增加低幅度值端点出现的概率，来减少信号受到的非线性影响，同时有效降低平均功率，在相同发射功率下降低了系统误码率，在信噪比不变的情况下，信号发射功率越小，整个系统的抗噪声能力越强，进一步实现信噪比功率的有效提升，使系统容量更接近信道的香农极限。
参阅图4a和图4b，可以明显看出经过浮动概率加密处理后，降低了高幅度值端点出现的概率，有效提高了星座点的利用率，降低了平均功率。
本发明实施例中，基于混沌模型提取的混沌序列，获取扰动因子序列，其中扰动因子的数量对应于OFDM矩阵划分的资源块数量；对进行OFDM调制的载波，将每个资源块对应扰动因子的数值，按照扰动因子的数值大小对资源块进行排列。
本发明实施例中，对混沌序列进行采样和数字运算，得到扰动因子序列。
在具体实施中，OFDM可以视作一个矩阵，以96×64的OFDM为例，将子载波OFDM中的元素划分为6×4的资源块组合后，从混沌模型中提取一列混沌序列Wn，为了提高系统的密钥空间，可以对混沌序列进行采样，即每隔10个值抽取一个数作为新的序列wm，对提取出的序列进行取余计算后，利用取唯一函数unique，生成对应资源块数的随机序列wn，具体的公式如下：
wn=unique(floor(mod(wm×103，24)))
在具体实施中，生成扰动因子序列wn，然后对每组资源块进行扰动，其扰动原理如图5所示，从左到右，从上至下，相邻资源块依次进行比较，比较后结果较大的资源块向后置换，每比较一轮，含有最大扰动因子的资源块会从最右侧冒出，实现冒泡排序法加密。
本发明实施例中，在仿真流程和结果中，参阅图6，发射端：二进制数据进入数字信号处理（DSP）中进行处理，混沌序列产生的密钥对二进制数据在上述两个模块中进行掩蔽和扰动，经过加密的载波传入任意波形发生器（AWG）中产生电信号，通过强度调制器（MZM）加载至光载波中，经过分束器后进入模式复用器（MPLC）中进行模式复用，进入5km少模光纤进行传输；接收端：接收的光载波进入模式复用器进行模式解复用，通过光纤放大器（EDFA）对光载波进行增强处理，由光电探测器（PD）将光信号转换成电信号，接入至示波器（MSO）中。
本发明实施例中，采用高斯白噪声信道作为模拟传输信道。
在具体实施中，采用高斯白噪声信道作为模拟传输信道，测试了1-10dB信噪比下的信号传输质量，得到的误码率曲线如图7所示，随着信噪比的增加，加密后的误码率明显优于加密后的误码率；而非法接收端误码率一直维持在0.5左右，因此可以得出基于本发明提供的方法建立的传输系统有着出色的安全性能。
本发明还提供一种基于浮动概率和冒泡排序加密的OFDM传输装置，包括发送端和接收端，所述发送端包括浮动概率加密单元和冒泡排序加密单元，其中：
所述浮动概率加密单元，用于基于混沌模型提取的混沌序列，获取对应混沌序列的掩蔽向量；对进行正交振幅调制的载波，根据混沌序列获取对应的掩蔽向量的向量值，依次将功率等级较高的矢量端点转移至功率等级较低的矢量端点；
所述冒泡排序加密单元，用于基于混沌模型提取的混沌序列，获取扰动因子序列，其中扰动因子的数量对应于OFDM矩阵划分的资源块数量；对进行OFDM调制的载波，将每个资源块对应扰动因子的数值，按照扰动因子的数值大小对资源块进行排列；
所述接收端，用于接收传输的载波后，使用扰动因子序列和掩蔽向量进行解密。
本发明实施例中，发送端还包括串并转换单元，接收端还包括并串转换单元，其中，串并转换单元用于对载波进行串并转换，并串转换单元用于对载波进行并串转换。
本发明实施例中，所述浮动概率加密单元，用于对混沌序列进行采样和数字运算，得到掩蔽向量。
本发明实施例中，所述浮动概率加密单元，用于从四维超混沌模型中提取混沌序列Xn、Yn和Zn，分别进行采样得到采样序列xm、ym和zm；对采样序列分别进行取余和取整运算，得到掩蔽向量xn、yn和zn。
本发明实施例中，所述浮动概率加密单元，用于在与特定功率等级的矢量端点对应的掩蔽向量的向量值不为0时，将对应功率等级的矢量端点转移至低一级的功率等级的矢量端点；从功率等级最高的矢量端点开始，依次进行转移。
本发明实施例中，所述冒泡排序加密单元，用于对混沌序列进行采样和数字运算，得到扰动因子序列。
本发明实施例中，发送端还包括IFFT单元，接收端还包括FFT单元，所述IFFT单元用于载波进入传输之前，进行快速傅里叶逆变换；所述FFT单元用于接收传输的载波后，进行快速傅里叶变换。

Claims (10)

1.一种基于浮动概率和冒泡排序加密的OFDM传输方法，其特征在于，包括：
基于混沌模型提取的混沌序列，获取对应混沌序列的掩蔽向量；
对进行正交振幅调制的载波，根据混沌序列获取对应的掩蔽向量的向量值，依次将功率等级较高的矢量端点转移至功率等级较低的矢量端点；
基于混沌模型提取的混沌序列，获取扰动因子序列，其中扰动因子的数量对应于OFDM矩阵划分的资源块数量；
对进行OFDM调制的载波，将每个资源块对应扰动因子的数值，按照扰动因子的数值大小对资源块进行排列；
接收传输的载波后，使用扰动因子序列和掩蔽向量进行解密。
2.根据权利要求1所述的基于浮动概率和冒泡排序加密的OFDM传输方法，其特征在于，所述对进行正交振幅调制的载波，之前包括：
对载波进行串并转换；
所述使用扰动因子序列和掩蔽向量进行解密，之后包括：
对载波进行并串转换。
3.根据权利要求1所述的基于浮动概率和冒泡排序加密的OFDM传输方法，其特征在于，所述根据混沌序列获取对应的掩蔽向量的向量值，包括：
对混沌序列进行采样和数字运算，得到掩蔽向量。
4.根据权利要求3所述的基于浮动概率和冒泡排序加密的OFDM传输方法，其特征在于，所述对混沌序列进行采样和数字运算，包括：
从四维超混沌模型中提取混沌序列Xn、Yn和Zn，分别进行采样得到采样序列xm、ym和zm；
对采样序列分别进行取余和取整运算，得到掩蔽向量xn、yn和zn。
5.根据权利要求4所述的基于浮动概率和冒泡排序加密的OFDM传输方法，其特征在于，所述依次将功率等级较高的矢量端点转移至功率等级较低的矢量端点，包括：
在与特定功率等级的矢量端点对应的掩蔽向量的向量值不为0时，将对应功率等级的矢量端点转移至低一级的功率等级的矢量端点；从功率等级最高的矢量端点开始，依次进行转移。
6.根据权利要求1所述的基于浮动概率和冒泡排序加密的OFDM传输方法，其特征在于，所述获取扰动因子序列，包括：
对混沌序列进行采样和数字运算，得到扰动因子序列。
7.根据权利要求1所述的基于浮动概率和冒泡排序加密的OFDM传输方法，其特征在于，载波进入传输之前，进行快速傅里叶逆变换；接收传输的载波后，进行快速傅里叶变换。
8.根据权利要求1所述的基于浮动概率和冒泡排序加密的OFDM传输方法，其特征在于，所述载波的传输过程包括：
发射端：经过加密的载波传入任意波形发生器中产生电信号，通过强度调制器加载至光载波中，经过分束器后进入模式复用器中进行模式复用，进入少模光纤进行传输；
接收端：接收的光载波进入模式复用器进行模式解复用，通过光纤放大器对光载波进行增强处理，由光电探测器将光信号转换成电信号，接入至示波器中。
9.根据权利要求8所述的基于浮动概率和冒泡排序加密的OFDM传输方法，其特征在于，采用高斯白噪声信道作为模拟传输信道。
10.一种基于浮动概率和冒泡排序加密的OFDM传输装置，其特征在于，包括发送端和接收端，所述发送端包括浮动概率加密单元和冒泡排序加密单元，其中：
所述浮动概率加密单元，用于基于混沌模型提取的混沌序列，获取对应混沌序列的掩蔽向量；对进行正交振幅调制的载波，根据混沌序列获取对应的掩蔽向量的向量值，依次将功率等级较高的矢量端点转移至功率等级较低的矢量端点；
所述冒泡排序加密单元，用于基于混沌模型提取的混沌序列，获取扰动因子序列，其中扰动因子的数量对应于OFDM矩阵划分的资源块数量；对进行OFDM调制的载波，将每个资源块对应扰动因子的数值，按照扰动因子的数值大小对资源块进行排列；
所述接收端，用于接收传输的载波后，使用扰动因子序列和掩蔽向量进行解密。
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刘博等: "《概率整形编码调制技术》", 《南京信息工程大学学报(自然科学版)》 *
刘博等: "《概率整形编码调制技术》", 《南京信息工程大学学报(自然科学版)》, 31 December 2020 (2020-12-31) *

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116318694A (zh) * 2023-05-19 2023-06-23 南京信息工程大学 基于功分复用四维区域联合加密的信息传输方法及系统
CN116318694B (zh) * 2023-05-19 2023-08-22 南京信息工程大学 基于功分复用四维区域联合加密的信息传输方法及系统

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