CN114302270A - 基于多混沌系统与分层置乱的ofdm-pon物理层加密方法及系统 - Google Patents

基于多混沌系统与分层置乱的ofdm-pon物理层加密方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多混沌系统与分层置乱的OFDM‑PON物理层加密方法及系统，本发明方法包括：S1.在发射端利用多种数字混沌系统的初始值产生多种混沌序列，组建混沌序列库；S2.利用混沌序列库对PRBS信号进行第一层异或加密；S3.第一层加密后的信号经过QAM映射后利用混沌序列库进行第二层相位扰乱加密。S4.第二层加密的信号利用混沌序列库进行第三层频域加密，进行三次加密的信号经过电光调制器转换为光信号，并将光信号通过光纤信道传输至接收端。本发明采用多层加密，扩大了密钥空间，且随机性更强，因此，本发明采用多个混沌系统具有更好的安全性。

Description

基于多混沌系统与分层置乱的OFDM-PON物理层加密方法及 系统
技术领域
本发明属于光通信加密技术领域，尤其涉及一种基于多混沌系统与分层置乱的OFDM-PON物理层加密方法及系统。
背景技术
随着信息化社会的快速发展，各类信息传输量的增大对传统的接入网提出了挑战。正交频分复用无源光网络(OFDM-PON)技术具有提高频谱利用率、抗光纤色散以及动态资源分配等优势，因此成为下一代光接入网系统的研究热点。由于无源光网络(PON)结构的广播特性，下行数据极易被非法用户窃取。在物理层进行加密能够提升上层数据传输的安全性，使网络整体性的安全性得到提升。
混沌序列具有高度的初值敏感性和伪随机性等特征，使其与保密通信存在着天然的联系，为了有效地处理OFDM-PON系统中的加密问题，国内外研究人员提出了多种安全加密方案，其中包括基于数字混沌的星座图扰码技术、混沌选择映射法(CSLM)，混沌部分传输序列法(CPTS)以及混沌预留子载波法(CTR)等。然而，现有的这些方案的密钥空间都比较小，窃密者可以利用一段连续混沌序列，通过基于神经网络的机器学习算法进行混沌系统的相空间重构，这在一定程度上降低基于数字混沌序列的加密系统的保密性。
与此同时，在数字混沌序列的产生过程中，由于软件计算精度的问题，混沌系统中的复杂度与理想状态下的性能差异巨大等问题使得混沌系统产生“数字退化”现象。而“数字退化”会导致混沌系统出现短周期、非遍历性、以及混沌序列之间的强相关性等缺点。针对“数字退化”，国内外研究人员也提出了相应的解决方案，例如扰动混沌状态、扰动混沌控制参数、级联多个混沌映射和随机切换多个混沌映射等方案。然而，现有的技术方案相对较为复杂，不能直接应用于成本较为敏感的OFDM-PON的物理层加密系统。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种基于多混沌系统与分层置乱的OFDM-PON物理层加密方法及系统。
为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
基于多混沌系统与分层置乱的OFDM-PON物理层加密方法，包括步骤：
S1.在发射端利用多种数字混沌系统的初始值产生多种混沌序列，组建混沌序列库；
S2.利用混沌序列库对伪随机二进制序列信号(PRBS信号)进行第一层比特异或加密；
S3.第一层加密的信号经过正交幅度调制(QAM)映射后利用混沌序列库进行第二层相位扰乱加密；
S4.第二层加密的信号利用混沌序列库进行第三层频域加密，将经过三次加密后的信号通过电光调制器转换为光信号，并将光信号通过光纤信道传输至接收端。
进一步的，步骤S1中，数字混沌系统组建的混沌序列库包括：
一维Logistic混沌系统，序列表达式为：
Xn+1＝μXn(1-Xn)
μ是Logistic控制参数，当X∈[0,1]，μ∈(3.5699456,4]时，Logistic系统处于混沌状态；利用Logistic混沌系统的序列表达式可生成一组混沌序列值为{Xn}；
Chen混沌系统，序列表达式为：
Figure BDA0003442910390000021
其中，dx,dy,dz分别表示对x，y，z进行微分；a、b、c表示控制参数；利用Chen混沌系统的序列表达式可生成三组混沌序列值，分别为{xn,yn,zn}；
Henon混沌系统，序列表达式为：
Figure BDA0003442910390000022
a、b是控制参数，当a∈[1.07,1.4],b＝0.3时，Henon系统存在混沌吸引子；利用Henon混沌系统的序列表达式可生成两组混沌序列值，分别为{xn，yn}；
Lorenz混沌系统，序列表达式为：
Figure BDA0003442910390000031
其中，dx/dt，dy/dt，dz/dt分别表示对x，y，z进行微分；σ,ρ,β表示控制参数；利用Lorenz混沌系统的序列表达式可生成三组混沌序列值，分别为{xn,yn,zn}；
Rolsser混沌系统，序列表达式为：
Figure BDA0003442910390000032
其中，dx,dy,dz分别表示对x，y，z进行微分，ω,α,β,γ为系统的参数；利用Rolsser混沌系统的序列表达式可生成三组混沌序列值，分别为{xn,yn,zn}。
进一步的，步骤S2中，利用混沌序列库对PRBS信号进行第一层加密，具体为：
将PRBS信号进行分组，利用一维Logistic混沌系统生成一组混沌序列x(i)，经处理得到序列y(i)，序列y(i)用于从混沌序列库选取混沌系统生成混沌序列值，再利用生成的混沌序列值中的{xn}为每组PRBS信号进行异或加密处理；序列x(i)处理得到y(i)的方式如下：
y(i)＝floor(mod(x(i)×108,4))+1
选取混沌序列的方式如下：
Figure BDA0003442910390000033
其中，floor表示取整操作，mod表示对x(i)进行取余操作，x(i)的长度与PRBS信号分组的组数相等。
进一步的，步骤S3中，PRBS信号经过QAM映射后的第二层加密，具体为：
将映射后的QAM矩阵划分为多个QAM矩阵子块，利用一维Logistic混沌系统生成两组混沌序列值x1(i)和x2(i)，经处理得到序列y1(i)和y2(i)；序列y1(i)用于判决子块是否需要加密，序列y2(i)用于从混沌序列库选取混沌系统生成混沌序列值，再利用生成的混沌序列值中的{xn}为每个子块进行相位扰乱；相位扰乱表示为：
C'＝C·ejθ
θ＝floor(mod(z(i)×1015,360))
序列x1(i)和x2(i)处理得到序列y1(i)和y2(i)的方式如下：
y1(i)＝floor(mod(x1(i)×108,4))+1
y2(i)＝floor(mod(x2(i)×108,4))+1
判决子块是否需要加密的方式如下：
Figure BDA0003442910390000041
选取混沌序列的方式如下：
Figure BDA0003442910390000042
其中，C是原始子块信息，C'是相位扰乱后的子块信息，e是自然底数，j是虚数单位，z(i)是序列y2(i)选取的混沌系统生成的序列中的{xn}；混沌序列值x1(i)和x2(i)的长度与子块数目相等。每个子块经过处理后还原为QAM矩阵。
进一步的，步骤S4中，对OFDM信号进行第三层选择加密，具体为：
将OFDM信号的划分为多组OFDM信号，利用一维Logistic混沌系统生成两组混沌序列值x3(i)和x4(i)，经处理得到序列y3(i)和y4(i)；序列y3(i)用于判决该组信号是否需要加密；序列y4(i)用于从混沌序列库选取混沌系统生成混沌序列值，再利用生成的混沌序列值中的{xn}为每组OFDM信号进行频域扰乱，频域扰乱表示为：
R(i)＝sort(z2(i))
序列x3(i)和x4(i)处理得到序列y3(i)和y4(i)的方式如下：
y3(i)＝floor(mod(x3(i)×108,4))+1
y4(i)＝floor(mod(x4(i)×108,4))+1
判决子块是否需要加密的方式如下：
Figure BDA0003442910390000051
选取混沌序列的方式如下：
Figure BDA0003442910390000052
其中，z2(i)是所选取的混沌系统生成的序列中的{xn}，混沌序列值x1(i)和x2(i)的长度与OFDM信号组数相等，sort(z2(i))返回z2(i)经过排序之后的动态向量索引，表示为：
R(i)＝[r1,r2,r3……rn],ri∈[1,n]
其中，n是每组OFDM的子载波数量，ri是排序之后的向量索引；
Figure BDA0003442910390000053
其中，Sn×m代表原始OFDM矩阵子块，α(n)、α(rn)代表OFDM信号矩阵的行向量，S’n×m代表频域扰乱后的OFDM矩阵子块。
本发明还公开了一种基于多混沌系统与分层置乱的OFDM-PON物理层加密系统，包括如下模块：
混沌序列库生成模块：发射端利用多种数字混沌系统的初始值产生多种混沌序列，组建混沌序列库；
第一层加密模块：利用混沌序列库对PRBS信号进行第一层比特异或加密；
第二层加密模块：经过第一层加密模块加密的信号经过QAM映射后利用混沌序列库进行第二层相位扰乱加密；
第三层加密模块：经过第二层加密模块加密的信号利用混沌序列库进行第三层频域加密，将经过三次加密后的信号通过电光调制器转换为光信号，并将光信号通过光纤信道传输至接收端。
优选的，混沌序列库生成模块中，多种数字混沌系统包括：
一维Logistic混沌系统，序列表达式如下：
Xn+1＝μXn(1-Xn)
μ是Logistic控制参数，当X∈[0,1]，μ∈(3.5699456,4]时，Logistic系统处于混沌状态；利用Logistic混沌系统的序列表达式可生成一组混沌序列值为{Xn}
多种数字混沌系统还包括如下：
一、Chen混沌系统，序列表达式如下：
Figure BDA0003442910390000061
其中，dx,dy,dz分别表示对x，y，z进行微分；a、b、c表示控制参数；利用Chen混沌系统的序列表达式可生成三组混沌序列值，分别为{xn,yn,zn}；
二、Henon混沌系统，序列表达式如下：
Figure BDA0003442910390000062
a、b是控制参数，当a∈[1.07,1.4],b＝0.3时，Henon系统存在混沌吸引子；利用Henon混沌系统的序列表达式可生成两组混沌序列值，分别为{xn，yn}；
三、Lorenz混沌系统，序列表达式如下：
Figure BDA0003442910390000063
其中，dx/dt，dy/dt，dz/dt分别表示对x，y，z进行微分；σ,ρ,β表示控制参数；利用Lorenz混沌系统的序列表达式可生成三组混沌序列值，分别为{xn，yn，zn}；
四、Rolsser混沌系统，序列表达式如下：
Figure BDA0003442910390000071
其中，dx,dy,dz分别表示对x，y，z进行微分，ω,α,β,γ为系统的参数；利用Rolsser混沌系统的序列表达式可生成三组混沌序列值，分别为{xn,yn,zn}
优选的，第一层加密模块具体如下：
将PRBS信号进行分组，利用一维Logistic混沌系统生成一组混沌序列x(i)，经处理得到序列y(i)，序列y(i)用于从混沌序列库选取混沌系统生成混沌序列值，再利用生成的混沌序列值中的{xn}为每组PRBS信号进行异或加密处理；序列x(i)处理得到y(i)的方式如下：
y(i)＝floor(mod(x(i)×108,4))+1
选取混沌序列的方式如下：
Figure BDA0003442910390000072
其中，floor表示取整操作，mod表示对x(i)进行取余操作，x(i)的长度与PRBS信号分组的组数相等。
优选的，第二层加密模块具体如下：
将映射后的QAM矩阵划分为多个QAM矩阵子块，利用一维Logistic混沌系统生成两组混沌序列值x1(i)和x2(i)，经处理得到序列y1(i)和y2(i)；序列y1(i)用于判决子块是否需要加密，序列y2(i)用于从混沌序列库选取混沌系统生成混沌序列值，再利用生成的混沌序列值中的{xn}为每个子块进行相位扰乱；相位扰乱表示为：
C'＝C·ejθ
θ＝floor(mod(z(i)×1015,360))
序列x1(i)和x2(i)处理得到序列y1(i)和y2(i)的方式如下：
y1(i)＝floor(mod(x1(i)×108,4))+1
y2(i)＝floor(mod(x2(i)×108,4))+1
判决子块是否需要加密的方式如下：
Figure BDA0003442910390000081
选取混沌序列的方式如下：
Figure BDA0003442910390000082
其中，C是原始子块信息，C'是相位扰乱后的子块信息，e是自然底数，j是虚数单位，z(i)是序列y2(i)选取的混沌系统生成的序列中的{xn}；混沌序列值x1(i)和x2(i)的长度与子块数目相等。每个子块经过处理后还原为QAM矩阵。
优选的，第三层加密模块对OFDM信号进行第三层频域选择加密具体如下：
将OFDM信号的划分为多组OFDM信号，利用一维Logistic混沌系统生成两组混沌序列值x3(i)和x4(i)，经处理得到序列y3(i)和y4(i)；序列y3(i)用于判决该组信号是否需要加密；序列y4(i)用于从混沌序列库选取混沌系统生成混沌序列值，再利用生成的混沌序列值中的{xn}为每组OFDM信号进行频域扰乱，频域扰乱表示为：
R(i)＝sort(z2(i))
序列x3(i)和x4(i)处理得到序列y3(i)和y4(i)的方式如下：
y3(i)＝floor(mod(x3(i)×108,4))+1
y4(i)＝floor(mod(x4(i)×108,4))+1
判决子块是否需要加密的方式如下：
Figure BDA0003442910390000083
选取混沌序列的方式如下：
Figure BDA0003442910390000091
其中，z2(i)是所选取的混沌系统生成的序列中的{xn}，混沌序列值x1(i)和x2(i)的长度与OFDM信号组数相等，sort(z2(i))返回z2(i)经过排序之后的动态向量索引，表示为：
R(i)＝[r1,r2,r3……rn],ri∈[1,n]
其中，n是每组OFDM的子载波数量，ri是排序之后的向量索引；
本发明采用多层加密，极大地扩大了密钥空间，同时每层加密数据信息量不一致，可以减少复杂度。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、现有的OFDM-PON加密方案都是基于单个数字混沌序列，单个混沌系统由于其自身密钥空间小，窃密者容易进行混沌系统的相空间重构，这在一定程度上降低基于数字混沌序列的加密系统的保密性。而本发明采用多个混沌系统的数字加密系统，涉及的相空间范围更大，并且随机性更强，因此，本发明采用多个混沌系统具有更好的安全性。
2、本发明利用分组加密技术手段提升了数字混沌加密系统的安全性能，充分利用多个混沌系统，解决了混沌系统出现的短周期以及混沌序列之间的强相关性等缺点。
3、本发明利用多个混沌序列组建混沌序列库，增强了系统密钥空间，更改序列库中的混沌系统可以改变系统的保密性。混沌序列库可以更新，将复杂性更高的混沌系统纳入库中，充分增大密钥空间。
附图说明
图1是实施例一提供的基于多混沌系统与分层置乱的OFDM-PON物理层加密方法流程图。
图2是实施例一提供的基于多混沌系统与分层置乱的OFDM-PON物理层加密方法的传输结构示意图。
图3是实施例一提供的QAM矩阵分块加密星座图示意图。
图4是实施例一提供的OFDM信号有无正确密钥的BER曲线图。
图5是实施例一提供的Lenna图像加密效果示意。
图6是实施例一提供的Lenna图像加密相邻像素相关性示意图。
图7是实施例二基于多混沌系统与分层置乱的OFDM-PON物理层加密系统框图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于多混沌系统与分层置乱的OFDM-PON物理层加密方法。
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种基于多混沌系统与分层置乱的OFDM-PON物理层加密方法，包括如下步骤：
S11.在发射端利用数字混沌系统的初始值产生多种混沌序列，组建混沌序列库；
S12.利用混沌序列库对PRBS信号进行第一层比特异或加密；
S13.第一层加密后的信号经过QAM映射后利用混沌序列库进行第二层相位扰乱加密；
S14.第二层加密的信号利用混沌序列库进行第三层频域加密，将三次加密的信号经过电光调制器转换为光信号，并将光信号通过光纤信道传输至接收端。
在接收端经过光电探测器将光信号转换为电信号，并利用密钥对加密的电信号进行解密，输出原始数据。
如图2所示，为基于多混沌系统与分层置乱的OFDM-PON物理层加密方法的传输结构示意图，包括光发射机端、光纤信道以及光接收机端。
在光发射机端，原始数据序列进行分组加密，然后输入至串并转换中，将加密后的串行序列变换成并行序列，再将转换为并行序列的序列以四位为一组转换为十进制数，之后进行16-QAM中进行映射调制，转换为QAM符号；将这些QAM符号划分成多个QAM子矩阵块，然后进行子矩阵块相位扰乱，再进行OFDM信号频域分组加密，加密之后通过光电调制器将数据转换为光信号进入光纤中进行传输。在光接收机端，通过光电探测器将光信号转换为电信号后，进行OFDM信号解调，再利用密钥进行解密。
上述实施例更具体的，在步骤S11中，在发射端利用数字混沌系统的初始值产生多种混沌序列，组建混沌序列库；
数字混沌系统中的序列具有高度初值敏感性和伪随机性等特征，使其与保密通信存在着天然的联系，本实施例组建的混沌序列库采用了四种混沌系统，分别为Chen混沌系统、Henon混沌系统、Lorenz混沌系统、Rossler混沌系统，同时使用Logistic混沌系统用于选取库中的混沌系统。表达式具体为：
一维Logistic混沌系统：
Xn+1＝μXn(1-Xn)
μ是Logistic控制参数，当X∈[0,1]，μ∈(3.5699456,4]时，Logistic系统处于混沌状态。
Chen混沌系统：
Figure BDA0003442910390000111
其中，dx,dy,dz分别表示对x，y，z进行微分；a、b、c表示控制参数。
Henon混沌系统：
Figure BDA0003442910390000112
a、b是控制参数，当a∈[1.07,1.4],b＝0.3时，Henon系统存在混沌吸引子。
Lorenz混沌系统：
Figure BDA0003442910390000121
其中，dx/dt，dy/dt，dz/dt分别表示对x，y，z进行微分；σ,ρ,β表示控制参数。
Rolsser混沌系统：
Figure BDA0003442910390000122
其中，dx,dy,dz分别表示对x，y，z进行微分，ω,α,β,γ为系统的参数。利用四阶龙格-库塔算法可以生成相应的混沌序列。
步骤S12中，采用的分组加密充分利用了混沌序列库中的混沌系统，大大降低了混沌迭代进入周期循环的概率，减少了混沌序列之间的相关性。
利用混沌序列库对PRBS信号进行第一层加密，具体为：
将PRBS信号进行分组，利用一维Logistic混沌系统生成一组混沌序列x(i)，经处理得到序列y(i)。序列y(i)用于从混沌序列库选取混沌系统为每组PRBS信号进行异或加密处理。y(i)表达式为：
y(i)＝floor(mod(x(i)×108,4))+1，y(i)∈[1,4]
其中，floor表示取整操作，mod表示对x(i)进行取余操作。y(i)的值表示混沌序列库中的第y(i)个混沌系统，经过四阶龙格-库塔迭代生成一组混沌序列Z(i)用于加密，为了获得均匀分布的二值化混沌序列，对Z(i)进行处理：
b(i)＝floor(mod(Z(i)×108,2))
均匀分布的二进制混沌序列b(i)与输入明文进行异或加密，获得异或加密密文，实现第一层加密，表示为：
Figure BDA0003442910390000123
其中q(i)为输入二进制明文，q'(i)为异或加密后的密文。重复操作，直到所有数据被加密。
在步骤S13中，第一层加密后的信号经过QAM映射后利用混沌序列库进行第二层加密。
将第一层加密后的串行序列变换成并行序列，然后将转换为并行序列的序列以四位为一组转换为十进制数，之后进行16-QAM中进行映射调制，转换为QAM符号，再将这些QAM符号转换成的多个QAM子矩阵块，如图3所示为QAM矩阵分块示意图。利用Logistic混沌系统生成两组混沌序列x1(i)和x2(i)，经处理得到序列y1(i)和y2(i)；序列y1(i)用于判决子块是否需要加密，序列y2(i)用于从混沌序列库选取混沌系统为每个子块进行相位扰乱。相位扰乱表示为：
y1'(i)＝floor(mod(y1(i)×108，4))+1
y1'(i)是混沌序列y1(i)经过处理得到的，范围在[1,4]，若其值等于2，相应的子矩阵块可以加密，具体为：
y2'(i)＝floor(mod(y2(i)×108，4))+1
C'＝C·ejθ
θ＝floor(mod(z(i)×1015,360))
其中，C是原始子块信息，C'是相位扰乱后的子块信息，z(i)是序列y2(i)经处理为y'2(i)所选取的混沌系统，y'2(i)的值表示混沌序列库中的第y2(i)个混沌系统。每个子块经过处理后还原为QAM矩阵。
在步骤S14中，第二层加密的信号利用混沌序列库进行第三层加密，将经过三次加密的信号通过电光调制器转换为光信号，并将光信号通过光纤信道传输至接收端。
将OFDM信号的划分为多组OFDM信号，然后利用Logistic混沌系统生成两组混沌序列x3(i)和x4(i)，经处理得到序列y3(i)和y4(i)，处理方法同步骤S13；序列y3(i)用于判决该组信号是否需要加密，序列y4(i)用于从混沌序列库选取混沌系统为每组OFDM信号进行频域扰乱。频域扰乱表示为：
R(i)＝sort(z2(i))
其中，z2(i)是所选取的混沌系统生成的混沌序列，sort(z2(i))返回z2(i)经过排序之后的动态向量索引，表示为：
R(i)＝[r1,r2,r3……rn],ri∈[1,n]
其中，n是每组OFDM的子载波数量，ri是排序之后的向量索引。
Figure BDA0003442910390000141
其中，Sn×m代表原始OFDM矩阵子块，α(i)代表OFDM信号矩阵的行向量，S’n×m代表频域扰乱后的OFDM矩阵子块。然后将所有OFDM矩阵子块合并进行傅里叶逆变换。
经过上述实施例的步骤S14后，接收端经过光电探测器将光信号转换为电信号，并利用密钥对加密的电信号进行解密，输出原始数据。
具体为：在接收端经过光电探测器将光信号转换为电信号，将接受到的电信号进行信道估计和接受同步后，确定加密信号的密钥，其中包括：混沌序列的初值、混沌序列扩展的维度和延迟以及组成混沌序列库的混沌系统。
接收端将密钥集合与接受端加密信号同步后，利用密钥对加密信号进行解密，恢复原始数据。
为了验证基于多混沌系统与分层置乱的OFDM-PON物理层加密方法的性能，发送端的信息序列长度设为长度为1.31072×105的伪随机比特流序列，该比特流数据是从Lenna图像提取的，将比特流序列分为16组，按组进行异或加密，然后进行16-QAM调制，转换为3.2768×104个QAM符号。将这些QAM符号划分为8×8大小的子矩阵，然后进行相位扰乱，之后进行OFDM信号频域扰乱，将OFDM矩阵划分为8×512大小的子矩阵块，再进行频域扰乱，后进行OFDM信号调制，其中IFFT/FFT点数为256，子载波数为N＝64。
图3为接收光功率在-29dB时经过第二层加密后的星座图变化示意图，通过混沌序列库进行相位扰乱，达到部分子矩阵有相位扰乱的效果。图4为原始信号与加密信号经过20km标准单模光纤传输后的误码率对比图，在无密钥的情况下，非法ONU接收的信号误码率达到0.5，而有密钥的情况下，可以完全解密加密信号。图5是Lenna图像加密效果示意图，经过三层加密后，Lenna图像被完全加密，在无密钥的情况下，无法恢复出原图，而在正确的密钥下可以完全解密。图6是Lenna图像加密前后相邻像素的相关性示意图，通过三层加密后减小了相邻像素的相关性，从像素点获取其它相邻像素的信息非常困难。因此，本实施例技术方案可以提升OFDM-PON系统的安全性能。综上所述，采用本实施例的基于多混沌系统与分层置乱的OFDM-PON物理层加密方法可以极大提升OFDM-PON系统的安全性。此外，该加密系统操作简单，占用空间小，其密钥空间可达到10540，足以抵抗穷举攻击，具备实时、高速加密信号的能力，可以完全兼容于光OFDM-PON系统。
与现有技术相比，本实施例具有如下的有益效果：
1、本发明采用多个混沌系统，而现有的OFDM-PON加密方案都是基于单个数字混沌序列，单个混沌系统由其自身密钥空间小，窃密者容易进行混沌系统的相空间重构，这在一定程度上降低基于数字混沌序列的加密系统的保密性。而本发明采用多个混沌系统的数字加密系统，涉及的相空间范围更大，并且随机性更强，因此采用多个混沌系统具有更好的安全性。
2、本发明利用分组加密技术提升了数字混沌加密系统的安全性能，充分利用了多个混沌系统，解决了混沌系统出现的短周期以及混沌序列之间的强相关性等缺点。
3、本发明利用多个混沌序列组建混沌序列库，增强系统密钥空间，更改序列库中的混沌系统可以改变系统的保密性。混沌序列库可以更新，将复杂性更高的混沌系统纳入库中，充分增大密钥空间。
实施例二
如图7所示，本实施例基于多混沌系统与分层置乱的OFDM-PON物理层加密系统，包括如下模块：
混沌序列库生成模块：发射端利用多种数字混沌系统的初始值产生多种混沌序列，组建混沌序列库；
第一层加密模块：利用混沌序列库对PRBS信号进行第一层比特异或加密；
第二层加密模块：经过第一层加密模块加密的信号经过QAM映射后利用混沌序列库进行第二层相位扰乱加密；
第三层加密模块：经过第二层加密模块加密的信号利用混沌序列库进行第三层频域加密，将经过三次加密后的信号通过电光调制器转换为光信号，并将光信号通过光纤信道传输至接收端。
更具体的，混沌序列库生成模块中，多种数字混沌系统包括：
一维Logistic混沌系统，序列表达式如下：
Xn+1＝μXn(1-Xn)
μ是Logistic控制参数，当X∈[0,1]，μ∈(3.5699456,4]时，Logistic系统处于混沌状态；利用Logistic混沌系统的序列表达式可生成一组混沌序列值为{Xn}；
多种数字混沌系统还包括如下：
一、Chen混沌系统，序列表达式如下：
Figure BDA0003442910390000161
其中，dx,dy,dz分别表示对x，y，z进行微分；a、b、c表示控制参数；利用Chen混沌系统的序列表达式可生成三组混沌序列值，分别为{xn,yn,zn}；
二、Henon混沌系统，序列表达式如下：
Figure BDA0003442910390000162
a、b是控制参数，当a∈[1.07,1.4],b＝0.3时，Henon系统存在混沌吸引子；利用Henon混沌系统的序列表达式可生成两组混沌序列值，分别为{xn，yn}；
三、Lorenz混沌系统，序列表达式如下：
Figure BDA0003442910390000163
其中，dx/dt，dy/dt，dz/dt分别表示对x，y，z进行微分；σ,ρ,β表示控制参数；利用Lorenz混沌系统的序列表达式可生成三组混沌序列值，分别为{xn，yn，zn}；
四、Rolsser混沌系统，序列表达式如下：
Figure BDA0003442910390000164
其中，dx,dy,dz分别表示对x，y，z进行微分，ω,α,β,γ为系统的参数；利用Rolsser混沌系统的序列表达式可生成三组混沌序列值，分别为{xn,yn,zn}
更具体的，第一层加密模块具体如下：
将PRBS信号进行分组，利用一维Logistic混沌系统生成一组混沌序列x(i)，经处理得到序列y(i)，序列y(i)用于从混沌序列库选取混沌系统生成混沌序列值，再利用生成的混沌序列值中的{xn}为每组PRBS信号进行异或加密处理；序列x(i)处理得到y(i)的方式如下：
y(i)＝floor(mod(x(i)×108,4))+1
选取混沌序列的方式如下：
Figure BDA0003442910390000171
其中，floor表示取整操作，mod表示对x(i)进行取余操作，x(i)的长度与PRBS信号分组的组数相等。
更具体的，第二层加密模块具体如下：
将映射后的QAM矩阵划分为多个QAM矩阵子块，利用一维Logistic混沌系统生成两组混沌序列值x1(i)和x2(i)，经处理得到序列y1(i)和y2(i)；序列y1(i)用于判决子块是否需要加密，序列y2(i)用于从混沌序列库选取混沌系统生成混沌序列值，再利用生成的混沌序列值中的{xn}为每个子块进行相位扰乱；相位扰乱表示为：
C'＝C·ejθ
θ＝floor(mod(z(i)×1015,360))
序列x1(i)和x2(i)处理得到序列y1(i)和y2(i)的方式如下：
y1(i)＝floor(mod(x1(i)×108,4))+1
y2(i)＝floor(mod(x2(i)×108,4))+1
判决子块是否需要加密的方式如下：
Figure BDA0003442910390000172
选取混沌序列的方式如下：
Figure BDA0003442910390000181
其中，C是原始子块信息，C'是相位扰乱后的子块信息，e是自然底数，j是虚数单位，z(i)是序列y2(i)选取的混沌系统生成的序列中的{xn}；混沌序列值x1(i)和x2(i)的长度与子块数目相等。每个子块经过处理后还原为QAM矩阵。
更具体的，第三层加密模块对OFDM信号进行第三层频域选择加密具体如下：
将OFDM信号的划分为多组OFDM信号，利用一维Logistic混沌系统生成两组混沌序列值x3(i)和x4(i)，经处理得到序列y3(i)和y4(i)；序列y3(i)用于判决该组信号是否需要加密；序列y4(i)用于从混沌序列库选取混沌系统生成混沌序列值，再利用生成的混沌序列值中的{xn}为每组OFDM信号进行频域扰乱，频域扰乱表示为：
R(i)＝sort(z2(i))
序列x3(i)和x4(i)处理得到序列y3(i)和y4(i)的方式如下：
y3(i)＝floor(mod(x3(i)×108,4))+1
y4(i)＝floor(mod(x4(i)×108,4))+1
判决子块是否需要加密的方式如下：
Figure BDA0003442910390000182
选取混沌序列的方式如下：
Figure BDA0003442910390000183
其中，z2(i)是所选取的混沌系统生成的序列中的{xn}，混沌序列值x1(i)和x2(i)的长度与OFDM信号组数相等，sort(z2(i))返回z2(i)经过排序之后的动态向量索引，表示为：
R(i)＝[r1,r2,r3……rn],ri∈[1,n]
其中，n是每组OFDM的子载波数量，ri是排序之后的向量索引；
Figure BDA0003442910390000191
其中，Sn×m代表原始OFDM矩阵子块，α(n)、α(rn)代表OFDM信号矩阵的行向量，S’n×m代表频域扰乱后的OFDM矩阵子块。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.基于多混沌系统与分层置乱的OFDM-PON物理层加密方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.发射端利用多种数字混沌系统的初始值产生多种混沌序列，组建混沌序列库；
S2.利用混沌序列库对PRBS信号进行第一层比特异或加密；
S3.经过步骤S2加密的信号经过QAM映射后利用混沌序列库进行第二层相位扰乱加密；
S4.经过步骤S3加密的信号利用混沌序列库进行第三层频域加密，将经过三次加密后的信号通过电光调制器转换为光信号，并将光信号通过光纤信道传输至接收端。
2.根据权利要求1所述的基于多混沌系统与分层置乱的OFDM-PON物理层加密方法，其特征在于，所述步骤S1中多种数字混沌系统的序列表达式分别为：
一维Logistic混沌系统，序列表达式如下：
Xn+1＝μXn(1-Xn)
μ是Logistic控制参数，当X∈[0,1]，μ∈(3.5699456,4]时，Logistic系统处于混沌状态；利用Logistic混沌系统的序列表达式可生成一组混沌序列值为{Xn}
多种数字混沌系统还包括如下：
一、Chen混沌系统，序列表达式如下：
Figure FDA0003442910380000011
其中，dx,dy,dz分别表示对x，y，z进行微分；a、b、c表示控制参数；利用Chen混沌系统的序列表达式可生成三组混沌序列值，分别为{xn,yn,zn}；
二、Henon混沌系统，序列表达式如下：
Figure FDA0003442910380000012
a、b是控制参数，当a∈[1.07,1.4],b＝0.3时，Henon系统存在混沌吸引子；利用Henon混沌系统的序列表达式可生成两组混沌序列值，分别为{xn，yn}；
三、Lorenz混沌系统，序列表达式如下：
Figure FDA0003442910380000021
其中，dx/dt，dy/dt，dz/dt分别表示对x，y，z进行微分；σ,ρ,β表示控制参数；利用Lorenz混沌系统的序列表达式可生成三组混沌序列值，分别为{xn,yn,zn}；
四、Rolsser混沌系统，序列表达式如下：
Figure FDA0003442910380000022
其中，dx,dy,dz分别表示对x，y，z进行微分，ω,α,β,γ为系统的参数；利用Rolsser混沌系统的序列表达式可生成三组混沌序列值，分别为{xn,yn,zn}。
3.根据权利要求2所述的基于多混沌系统与分层置乱的OFDM-PON物理层加密方法，其特征在于，步骤S2具体为：
将PRBS信号进行分组，利用一维Logistic混沌系统生成一组混沌序列x(i)，经处理得到序列y(i)，序列y(i)用于从混沌序列库选取混沌系统生成混沌序列值，再利用生成的混沌序列值中的{xn}为每组PRBS信号进行异或加密处理；序列x(i)处理得到y(i)的方式如下：
y(i)＝floor(mod(x(i)×108,4))+1
选取混沌系统的方式如下：
Figure FDA0003442910380000023
其中，floor表示取整操作，mod表示对x(i)进行取余操作，x(i)的长度与PRBS信号分组的组数相等。
4.根据权利要求3所述的基于多混沌系统与分层置乱的OFDM-PON物理层加密方法，其特征在于，步骤S3具体为：
将映射后的QAM矩阵划分为多个QAM矩阵子块，利用一维Logistic混沌系统生成两组混沌序列值x1(i)和x2(i)，经处理得到序列y1(i)和y2(i)；序列y1(i)用于判决子块是否需要加密，序列y2(i)用于从混沌序列库选取混沌系统生成混沌序列值，再利用生成的混沌序列值中的{xn}为每个子块进行相位扰乱；相位扰乱表示为：
C'＝C·ejθ
θ＝floor(mod(z(i)×1015,360))
序列x1(i)和x2(i)处理得到序列y1(i)和y2(i)的方式如下：
y1(i)＝floor(mod(x1(i)×108,4))+1
y2(i)＝floor(mod(x2(i)×108,4))+1
判决子块是否需要加密的方式如下：
Figure FDA0003442910380000031
选取混沌系统的方式如下：
Figure FDA0003442910380000032
其中，C是原始子块信息，C'是相位扰乱后的子块信息，e是自然底数，j是虚数单位，z(i)是序列y2(i)选取的混沌系统生成的序列中的{xn}；混沌序列值x1(i)和x2(i)的长度与子块数目相等。每个子块经过处理后还原为QAM矩阵。
5.根据权利要求4所述的基于多混沌系统与分层置乱的OFDM-PON物理层加密方法，其特征在于，步骤S4中对OFDM信号进行第三层频域选择加密具体为：
将OFDM信号的划分为多组OFDM信号，利用一维Logistic混沌系统生成两组混沌序列值x3(i)和x4(i)，经处理得到序列y3(i)和y4(i)；序列y3(i)用于判决该组信号是否需要加密；序列y4(i)用于从混沌序列库选取混沌系统生成混沌序列值，再利用生成的混沌序列值中的{xn}为每组OFDM信号进行频域扰乱，频域扰乱表示为：
R(i)＝sort(z2(i))
序列x3(i)和x4(i)处理得到序列y3(i)和y4(i)的方式如下：
y3(i)＝floor(mod(x3(i)×108,4))+1
y4(i)＝floor(mod(x4(i)×108,4))+1
判决子块是否需要加密的方式如下：
Figure FDA0003442910380000041
选取混沌系统的方式如下：
Figure FDA0003442910380000042
其中，z2(i)是所选取的混沌系统生成的序列中的{xn}，混沌序列值x1(i)和x2(i)的长度与OFDM信号组数相等，sort(z2(i))返回z2(i)经过排序之后的动态向量索引，表示为：
R(i)＝[r1,r2,r3……rn],ri∈[1,n]
其中，n是每组OFDM的子载波数量，ri是排序之后的向量索引；
Figure FDA0003442910380000043
其中，Sn×m代表原始OFDM矩阵子块，α(n)、α(rn)代表OFDM信号矩阵的行向量，S’n×m代表频域扰乱后的OFDM矩阵子块。
6.基于多混沌系统与分层置乱的OFDM-PON物理层加密系统，其特征在于，包括如下模块：
混沌序列库生成模块：发射端利用多种数字混沌系统的初始值产生多种混沌序列，组建混沌序列库；
第一层加密模块：利用混沌序列库对PRBS信号进行第一层比特异或加密；
第二层加密模块：经过第一层加密模块加密的信号经过QAM映射后利用混沌序列库进行第二层相位扰乱加密；
第三层加密模块：经过第二层加密模块加密的信号利用混沌序列库进行第三层频域加密，将经过三次加密后的信号通过电光调制器转换为光信号，并将光信号通过光纤信道传输至接收端。
7.根据权利要求6所述的基于多混沌系统与分层置乱的OFDM-PON物理层加密系统，其特征在于，混沌序列库生成模块中，多种数字混沌系统包括：
一维Logistic混沌系统，序列表达式如下：
Xn+1＝μXn(1-Xn)
μ是Logistic控制参数，当X∈[0,1]，μ∈(3.5699456,4]时，Logistic系统处于混沌状态；利用Logistic混沌系统的序列表达式可生成一组混沌序列值为{Xn}。
多种数字混沌系统还包括如下：
一、Chen混沌系统，序列表达式如下：
Figure FDA0003442910380000051
其中，dx,dy,dz分别表示对x，y，z进行微分；a、b、c表示控制参数；利用Chen混沌系统的序列表达式可生成三组混沌序列值，分别为{xn,yn,zn}；
二、Henon混沌系统，序列表达式如下：
Figure FDA0003442910380000052
a、b是控制参数，当a∈[1.07,1.4],b＝0.3时，Henon系统存在混沌吸引子；利用Henon混沌系统的序列表达式可生成两组混沌序列值，分别为{xn，yn}；
三、Lorenz混沌系统，序列表达式如下：
Figure FDA0003442910380000053
其中，dx/dt，dy/dt，dz/dt分别表示对x，y，z进行微分；σ,ρ,β表示控制参数；利用Lorenz混沌系统的序列表达式可生成三组混沌序列值，分别为{xn,yn,zn}；
四、Rolsser混沌系统，序列表达式如下：
Figure FDA0003442910380000061
其中，dx,dy,dz分别表示对x，y，z进行微分，ω,α,β,γ为系统的参数；利用Rolsser混沌系统的序列表达式可生成三组混沌序列值，分别为{xn,yn,zn}。
8.根据权利要求7所述的基于多混沌系统与分层置乱的OFDM-PON物理层加密系统，其特征在于，第一层加密模块具体如下：
将PRBS信号进行分组，利用一维Logistic混沌系统生成一组混沌序列x(i)，经处理得到序列y(i)，序列y(i)用于从混沌序列库选取混沌系统生成混沌序列值，再利用生成的混沌序列值中的{xn}为每组PRBS信号进行异或加密处理；序列x(i)处理得到y(i)的方式如下：
y(i)＝floor(mod(x(i)×108,4))+1
选取混沌系统的方式如下：
Figure FDA0003442910380000062
其中，floor表示取整操作，mod表示对x(i)进行取余操作，x(i)的长度与PRBS信号分组的组数相等。
9.根据权利要求8所述的基于多混沌系统与分层置乱的OFDM-PON物理层加密系统，其特征在于，第二层加密模块具体如下：
将映射后的QAM矩阵划分为多个QAM矩阵子块，利用一维Logistic混沌系统生成两组混沌序列值x1(i)和x2(i)，经处理得到序列y1(i)和y2(i)；序列y1(i)用于判决子块是否需要加密，序列y2(i)用于从混沌序列库选取混沌系统生成混沌序列值，再利用生成的混沌序列值中的{xn}为每个子块进行相位扰乱；相位扰乱表示为：
C'＝C·ejθ
θ＝floor(mod(z(i)×1015,360))
序列x1(i)和x2(i)处理得到序列y1(i)和y2(i)的方式如下：
y1(i)＝floor(mod(x1(i)×108,4))+1
y2(i)＝floor(mod(x2(i)×108,4))+1
判决子块是否需要加密的方式如下：
Figure FDA0003442910380000071
选取混沌系统的方式如下：
Figure FDA0003442910380000072
其中，C是原始子块信息，C'是相位扰乱后的子块信息，e是自然底数，j是虚数单位，z(i)是序列y2(i)选取的混沌系统生成的序列中的{xn}；混沌序列值x1(i)和x2(i)的长度与子块数目相等。每个子块经过处理后还原为QAM矩阵。
10.根据权利要求9所述的基于多混沌系统与分层置乱的OFDM-PON物理层加密系统，其特征在于，第一层加密模块对OFDM信号进行第三层频域选择加密具体如下：
将OFDM信号的划分为多组OFDM信号，利用一维Logistic混沌系统生成两组混沌序列值x3(i)和x4(i)，经处理得到序列y3(i)和y4(i)；序列y3(i)用于判决该组信号是否需要加密；序列y4(i)用于从混沌序列库选取混沌系统生成混沌序列值，再利用生成的混沌序列值中的{xn}为每组OFDM信号进行频域扰乱，频域扰乱表示为：
R(i)＝sort(z2(i))
序列x3(i)和x4(i)处理得到序列y3(i)和y4(i)的方式如下：
y3(i)＝floor(mod(x3(i)×108,4))+1
y4(i)＝floor(mod(x4(i)×108,4))+1
判决子块是否需要加密的方式如下：
Figure FDA0003442910380000081
选取混沌系统的方式如下：
Figure FDA0003442910380000082
其中，z2(i)是所选取的混沌系统生成的序列中的{xn}，混沌序列值x1(i)和x2(i)的长度与OFDM信号组数相等，sort(z2(i))返回z2(i)经过排序之后的动态向量索引，表示为：
R(i)＝[r1,r2,r3……rn],ri∈[1,n]
其中，n是每组OFDM的子载波数量，ri是排序之后的向量索引；
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