CN114513260B - 一种基于高维星座多级加密的多芯光纤传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光传输技术领域，且公开了一种基于高维星座多级加密的多芯光纤传输方法，包括以下步骤：1）原始数据通过离线数字信号处理产生加密信号，再导入任意波形发生器以25GSa/s进行数模转换；2）在将射频信号注入马赫曾德尔调制器进行强度调制之前，通过电放大器将射频信号放大。该基于高维星座多级加密的多芯光纤传输方法，通过设计了一种球状加密的高安全光传输方法，使得在传输信道上的信号具有类似随机噪声的性态，达到信息加密的目的，极大地提升了非法ONU窃取信息的难度，由此提高了光网络传输的整体安全性，同时，本发明通过采用七芯光纤进行传输，极好地提高了传输容量。
Description
技术领域
本发明涉及光传输技术领域，具体为一种基于高维星座多级加密的多芯光纤传输方法。
背景技术
随着5G、物联网(l oT)、云计算等带宽密集型服务的高速崛起，激增的网络设备和应用程序消耗了大量的带宽，对于高速互联网和高容量网络的需求正以指数速度增长，为了较好地解决容量需求问题，短距离光纤通信以更灵活的接入、更高速的互联、更低的系统成本为目标，对脉冲幅度调制(PAM)、离散多音调制(DMT)和无载波幅度相位调制(CAP)等多种先进调制格式展开了广泛的研究，星座成形技术是进一步逼近信道容量极限的有效手段，包括概率成形(PS)和几何整形(GS)两种，其中，几何成形技术的特点是在星座功率不变的情况下，优化星座点的几何分布设计，实现最小欧氏距离最大化，获得几何成形增益，并降低实际传输信号传输速率与香农容量极限之间的差距，在相同的平均功率下，维度越高星座点间的欧氏距离越大，星座图性能指标(CFM)数值越高，星座的抗噪声性能越好。
对于无源光网络(PON)这种广播机制通信架构，光线路终端(OLT)会将获取到的数据以广播的方式发送分配到多个不同的光网络单元(ONU)，这样一来，每个ONU都有机会破解得到其他用户的隐私信息，加强深入研究通信传输的信息安全方法和技术刻不容缓，然而传统的传输层或协议栈层加密方式可以通过机器学习等识别破译，但是却不能够从根本上为通信传输系统的安全提供保障，故此，提出一种基于高维星座多级加密的多芯光纤传输方法来解决上述问题。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于高维星座多级加密的多芯光纤传输方法，具备提高光网络传输的整体安全性等优点，解决了传统的传输层或协议栈层加密方式可以通过机器学习等识别破译，但是却不能够从根本上为通信传输系统的安全提供保障的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于高维星座多级加密的多芯光纤传输方法，包括以下步骤：
1)原始数据通过离线数字信号处理(DSP)产生加密信号，再导入任意波形发生器(AWG，TekAWG70002A)以25GSa/s进行数模转换(DAC)；
2)在将射频信号注入马赫曾德尔调制器(MZM)进行强度调制之前，通过电放大器(EA)将射频信号放大；
3)掺铒光纤放大器(EDFA)将调制后的光信号放大后，分束器(PS)将其分成7个部分，然后通过延迟线去除信号之间的相关性，再将七个单模光纤中的信号通过七芯扇入装置注入到一个2km弱耦合七芯光纤中进行传输，随后将七芯光纤中的光信号通过扇出装置解复用至七个单模光纤；
4)光信号通过分束器被分配到不同的光网络单元(ONU)，通过可变光衰减器(VOA)来调节进入ONU的光功率，采用光电探测器(PD)检测光信号并实现光电转换，然后由采样速率为50GSa/s的混合信号示波器(MSO，TekMSO73304DX)接收转换后的电信号，同时实现模数转换(ADC)；
5)最后，使用正确的密钥，可以通过离线处理来恢复原始数据。
进一步，所述步骤2)中所用光源的波长为1550nm，功率为12dBm。
进一步，所述多级加密的方法流程为：
1)坐标转换，首先，将三维笛卡尔坐标系表示的星座点转化为球坐标系表示，P(x，y，z)对应转为P(r，θ，φ)，其中r为点P到原点O之间的距离，θ为有向线段OP与z轴正向的夹角，称作仰角，φ为从原点到点P的连线在xy平面的投影线与x轴之间的夹角，称作方位角；
2)角度旋转，对于四维混沌系统产生的序列[x1，y1，z1，w1]，先利用x1和y1产生星座旋转的掩蔽因子，旋转角度规则设为：
ρ1＝mod(x1·1010，π)，ρ1∈(0，π)
ρ2＝mod(y1·l010，2π)-π，ρ2∈(-π,π)
仰角的变化关系为θ′＝θ+ρ1，由此原始星座点的仰角就可以在(0，π)的范围内旋转，同理方位角的变化关系为φ′＝φ+ρ2，可以实现(-π，π)范围的全覆盖旋转加密，经过两次角度旋转加密后，可以得到基于星座旋转掩蔽的第一级加密后的星座点分布图，此时星座点转成了四个半径不同的空心球；
3)半径伸缩，接下来，利用z1产生星座伸缩的掩蔽因子进行第二级加密，规则是：
r1＝floor(mod(z1·1010，50))/50×2+1，r1∈[1，3]
半径的变化关系为r′＝r*r1，经过半径的伸缩变化后，即可将原先的四层空心球扰动成一个实心球；
4)时隙置乱，之后，为了进一步地提升传输系统的安全性，又利用ω1产生时隙置乱的掩蔽因子进行第三级加密，具体规则是：
ω2＝floor(mod(ω1·1010，100))+1，ω2∈[1，100]
在新生成的ω2序列中，随机挑选三个数字对r′，θ′，φ′进行置乱转换，经过旋转伸缩加密后的r′，θ′，φ′又被彻底打乱，置乱度达到100％。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种基于高维星座多级加密的多芯光纤传输方法，具备以下有益效果：
通过针对一个优化升级后具有较高CFM指数的三维星座图，利用一个四维耗散超混沌系统，设计了一种球状加密的高安全光传输方法，通过在发射端对二进制数据进行串并变换映射到一种具有较高CFM的三维星座分布上，利用一个四维耗散超混沌系统作为混沌模型生成掩蔽因子，对三维星座图进行掩蔽，先将三维笛卡尔坐标系表示的点转换为球坐标系表示，再通过角度旋转、半径拉伸和时隙置乱使原星座转换成一个杂乱无序的球状，使得在传输信道上的信号具有类似随机噪声的性态，非法ONU无法窃取信息，达到信息加密的目的，极大地提升了非法ONU窃取信息的难度，由此提高了光网络传输的整体安全性，同时，通过采用七芯光纤进行传输，极好地提高了传输容量。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于高维星座多级加密的多芯光纤传输方法结构流程图；
图2为本发明提出的一种基于高维星座多级加密的多芯光纤传输方法离线数字信号处理流程框图；
图3为本发明提出的一种基于高维星座多级加密的多芯光纤传输方法原始三维星座图；
图4为本发明提出的一种基于高维星座多级加密的多芯光纤传输方法超混沌吸引子相位图；
图5为本发明提出的一种基于高维星座多级加密的多芯光纤传输方法多级加密的方法流程图；
图6为本发明提出的一种基于高维星座多级加密的多芯光纤传输方法一级加密后的星座点分布图；
图7为本发明提出的一种基于高维星座多级加密的多芯光纤传输方法二级加密后的星座点图；
图8为本发明提出的一种基于高维星座多级加密的多芯光纤传输方法时隙置乱规则原理图；
图9为本发明提出的一种基于高维星座多级加密的多芯光纤传输方法三级加密后的星座点图；
图10为本发明提出的一种基于高维星座多级加密的多芯光纤传输方法误码率曲线图；
图11为本发明提出的一种基于高维星座多级加密的多芯光纤传输方法不同信噪比传输情况的解密星座图。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，一种基于高维星座多级加密的多芯光纤传输方法，包括以下步骤：
1)原始数据通过离线数字信号处理(DSP)产生加密信号，再导入任意波形发生器(AWG，TekAWG70002A)以25GSa/s进行数模转换(DAC)；
2)在将射频信号注入马赫曾德尔调制器(MZM)进行强度调制之前，通过电放大器(EA)将射频信号放大，实验所用光源的波长为1550nm，功率为12dBm；
3)掺铒光纤放大器(EDFA)将调制后的光信号放大后，分束器(PS)将其分成7个部分，然后通过延迟线去除信号之间的相关性，再将七个单模光纤中的信号通过七芯扇入装置注入到一个2km弱耦合七芯光纤中进行传输，随后将七芯光纤中的光信号通过扇出装置解复用至七个单模光纤；
4)光信号通过分束器被分配到不同的光网络单元(ONU)，通过可变光衰减器(VOA)来调节进入ONU的光功率，采用光电探测器(PD)检测光信号并实现光电转换，然后由采样速率为50GSa/s的混合信号示波器(MSO，TekMSO73304DX)接收转换后的电信号，同时实现模数转换(ADC)；
5)最后，使用正确的密钥，可以通过离线处理来恢复原始数据。
需要说明的是，在发射端将二进制数据经串并变换后变成三路信号，进行三维星座映射，之后用四维超混沌模型对星座点进行扰动，实现三级加密，使原始星座分布转换成一个杂乱无序的球状，接着进入三个相互正交的整形滤波器对三路信号实现整形滤波，整形滤波后通过一个加法器使信号合成一路进入多芯光纤传输信道，传输完成以后在接收端利用与整形滤波器相对应的匹配滤波器组将得到的信号再分成三路进行处理，经过与发射端相逆的过程即可实现信号的解调与解密。
请参阅图3-4，本发明采用的三维星座图映射规则如下：该星座图固定最小欧氏距离为2，首先以原点为中心做正三角形，利用这个三角形的三条边向外延展得到三个正三角形，由此得到红线组成的中平面，以新得到的三个正三角形为底面向上下分别做一个正四面体，得到蓝线组成部分，最后选取正四面体的顶点构成任意两条边，向外再做正三角形，得到四个紫色线条围成的正三角形，该星座图可以有效地将星座点集中在原点周围，提高星座图CFM值。
接着，采用一个四维耗散超混沌系统作为混沌映射模型对星座进行加密处理，生成立方星座掩蔽向量，四维耗散超混沌系统的动力学方程为：
式子中，a、b、c、d为系统的控制参数，x、y、z、ω为系统的四个状态变量，该系统的控制参数[a，b，c，d]＝[6，4，8，2]，四个状态变量初始值[x0，y0，z0，w0]＝[1，2，3，4]时，系统处于超混沌状态。
请参阅图5-9，多级加密的方法流程为：
1)坐标转换，首先，将三维笛卡尔坐标系表示的星座点转化为球坐标系表示，P(x，y，z)对应转为P(r，θ，φ)，其中r为点P到原点0之间的距离，θ为有向线段0P与z轴正向的夹角，称作仰角，φ为从原点到点P的连线在xy平面的投影线与x轴之间的夹角，称作方位角；
2)角度旋转，对于四维混沌系统产生的序列[x1，y1，z1，w1]，先利用x1和y1产生星座旋转的掩蔽因子，旋转角度规则设为：
ρ1＝mod(x1·1010，π)，ρ1∈(0，π)
ρ2＝mod(y1·1010，2π)-π，ρ2∈(-π,π)
仰角的变化关系为θ′＝θ+ρ1，由此原始星座点的仰角就可以在(0，π)的范围内旋转，同理方位角的变化关系为φ′＝φ+ρ2，可以实现(-π，π)范围的全覆盖旋转加密，经过两次角度旋转加密后，可以得到基于星座旋转掩蔽的第一级加密后的星座点分布图，此时星座点转成了四个半径不同的空心球；
3)半径伸缩，接下来，利用z1产生星座伸缩的掩蔽因子进行第二级加密，规则是：
r1＝floor(mod(z1·1010，50))/50×2+1，r1∈[1，3]
半径的变化关系为r′＝r*r1，经过半径的伸缩变化后，即可将原先的四层空心球扰动成一个实心球；
4)时隙置乱，之后，为了进一步地提升传输系统的安全性，又利用ω1产生时隙置乱的掩蔽因子进行第三级加密，具体规则是：
ω2＝floor(mod(ω1·1010，100))+1，ω2∈[1，100]
在新生成的ω2序列中，随机挑选三个数字对r′，θ′，φ′进行置乱转换，例如随机挑选了第36，58，79位数据，分别是6，47，20，如此以后，经过旋转伸缩加密后的r′，θ′，φ′又被彻底打乱，置乱度达到100％。
请参阅图10，本发明采用高斯白噪声信道作为模拟传输信道，测试了1-15dB信噪比下的信号传输质量，得到合法ONU和非法ONU误码率随信噪比变化的曲线，随着信噪比的增加，合法ONU的误码率逐渐下降，而非法ONU的误码率一直维持在0.5左右，因为没有正确的密钥而获取不到任何有效信息，基于高维星座多级加密的多芯光纤传输方法有着出色的安全性能。
请参阅图11，信噪比分别在8dB、10dB和15dB的情况下通过模拟传输得到的解密后的星座图，观察到8dB时星座点图还比较杂乱无序，但随着信噪比的提升，星座图也越来越清晰明了，与原始星座图几乎一致，证明本发明提出的加密方法有着良好的传输性能。
本发明的有益效果是：
通过针对一个优化升级后具有较高CFM指数的三维星座图，利用一个四维耗散超混沌系统，设计了一种球状加密的高安全光传输方法，通过在发射端对二进制数据进行串并变换映射到一种具有较高CFM的三维星座分布上，利用一个四维耗散超混沌系统作为混沌模型生成掩蔽因子，对三维星座图进行掩蔽，先将三维笛卡尔坐标系表示的点转换为球坐标系表示，再通过角度旋转、半径拉伸和时隙置乱使原星座转换成一个杂乱无序的球状，使得在传输信道上的信号具有类似随机噪声的性态，非法ONU无法窃取信息，达到信息加密的目的，极大地提升了非法ONU窃取信息的难度，由此提高了光网络传输的整体安全性，同时，通过采用七芯光纤进行传输，极好地提高了传输容量。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (1)
1.一种基于高维星座多级加密的多芯光纤传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)原始数据通过离线数字信号处理产生加密信号，再导入任意波形发生器以25GSa/s进行数模转换；
2)在将射频信号注入马赫曾德尔调制器进行强度调制之前，通过电放大器将射频信号放大；
3)掺铒光纤放大器将调制后的光信号放大后，分束器将其分成7个部分，然后通过延迟线去除信号之间的相关性，再将七个单模光纤中的信号通过七芯扇入装置注入到一个2km弱耦合七芯光纤中进行传输，随后将七芯光纤中的光信号通过扇出装置解复用至七个单模光纤；
4)光信号通过分束器被分配到不同的光网络单元，通过可变光衰减器来调节进入光网络单元的光功率，采用光电探测器检测光信号并实现光电转换，然后由采样速率为50GSa/s的混合信号示波器接收转换后的电信号，同时实现模数转换；
5)最后，使用正确的密钥，可以通过离线处理来恢复原始数据；
所述步骤2)中所用光源的波长为1550nm，功率为12dBm；
所述多级加密的方法流程为：
1)坐标转换，首先，将三维笛卡尔坐标系表示的星座点转化为球坐标系表示，P(x，y，z)对应转为P(r，θ，φ)，其中r为点P到原点0之间的距离，θ为有向线段0P与z轴正向的夹角，称作仰角，φ为从原点到点P的连线在xy平面的投影线与x轴之间的夹角，称作方位角；
2)角度旋转，对于四维混沌系统产生的序列[x1，y1，z1，ω1]，我们先利用x1和y1产生星座旋转的掩蔽因子，旋转角度规则设为：
ρ1＝mod(x1·1010，π)，ρ1∈(0，π)
ρ2＝mod(y1·1010，2π)-π，ρ2∈(-π，π)
仰角的变化关系为θ′＝θ+ρ1，由此原始星座点的仰角就可以在(0，π)的范围内旋转，同理方位角的变化关系为φ′＝φ+ρ2，可以实现(-π，π)范围的全覆盖旋转加密，经过两次角度旋转加密后，可以得到基于星座旋转掩蔽的第一级加密后的星座点分布图，此时星座点转成了四个半径不同的空心球；
3)半径伸缩，接下来，我们利用z1产生星座伸缩的掩蔽因子进行第二级加密，规则是：
r1＝floor(mod(z1·1010，50))/50×2+1，r1∈[1，3]
半径的变化关系为r′＝r*r1，经过半径的伸缩变化后，即可将原先的四层空心球扰动成一个实心球；
4)时隙置乱，之后，为了进一步地提升传输系统的安全性，我们又利用ω1产生时隙置乱的掩蔽因子进行第三级加密，具体规则是：
ω2＝floor(mod(ω1·1010，100))+1，ω2∈[1，100]
在新生成的ω2序列中，随机挑选三个数字对r′，θ′，φ′进行置乱转换，经过旋转伸缩加密后的r′，θ′，φ′又被彻底打乱，置乱度达到100％。
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2022
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114513260A (zh) | 2022-05-17 |
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