CN114650125A - 一种联合Polar编码与混沌加密的信号传输方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种联合Polar编码与混沌加密的信号传输方法及系统，属于信号传输技术领域，包括：获取发送信号并对其进行预处理得到预处理信号；对所述预处理信号进行Polar编码，在编码的过程中利用多维混沌系统生成的混沌序列对信息索引位矩阵、冻结比特位信息进行加密，得到加密信号；将加密信号进行预处理得到串行数据流，对串行数据流进行映射得到映射信号，将映射信号调制到子载波上，在调制的过程中利用多维混沌系统生成的混沌序列对子载波顺序进行掩蔽，然后转换成时域信号送入信道中实现信号传输；有效防止信息被非法接收和恶意攻击，使通信系统兼具纠错和加密的能力，实现了高安全高可靠性的信号传输。
Description
技术领域
本发明涉及一种联合Polar编码与混沌加密的信号传输方法及系统，属于信号传输技术领域。
背景技术
光正交频分复用(OFDM)技术作为一种多载波调制格式，在无源光网络(PON)系统中具有高频谱效率、低成本、兼容星座点调制、高色散鲁棒性等优势；然而，随着信息时代的到来和发展，通信系统的可靠性和安全性成为了越来越重要的问题。
2017年，Polar码最早是由Arikan提出的一种全新FEC(Forward ErrorCorrection，前向纠错)方法；Polar编码是基于信道极化理论提出，信道极化分为信道联合与信道分裂两个阶段；通过信道的联合与分裂，各个子信道的对称容量呈现两极分化的趋势：随着码长的增加，一部分子信道趋于无噪声信道，一部分子信道趋于纯噪声信道；因此，Polar码采用相对低的复杂度译码就可以实现香农极限，并且随着码长的增加，其优势更加明显；然而，国内外对于Polar码的研究主要集中在译码方向，对于Polar码冻结比特位和加密安全的研究相对较少。
虽然无源光网络(PON)系统能够满足光接入网中带宽和容量快速增长的需求，但由于OFDM-PON的广播机制，下行信号可以被所有的网络单元(ONUs)接收，难以保证信息的安全性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种联合Polar编码与混沌加密的信号传输方法及系统，将真正传输的信息完美隐藏在冻结比特位，有效防止信息被非法接收和恶意攻击，使通信系统兼具纠错和加密的能力，实现了高安全高可靠性的信号传输。
为实现以上目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了一种联合Polar编码与混沌加密的信号传输方法，包括：
获取发送信号并对其进行预处理得到预处理信号；
对所述预处理信号进行Polar编码，在编码的过程中利用多维混沌系统生成的混沌序列对信息索引位矩阵、冻结比特位信息进行加密，得到加密信号；
将加密信号进行预处理得到串行数据流，对串行数据流进行映射得到映射信号，将映射信号调制到子载波上，在调制的过程中利用多维混沌系统生成的混沌序列对子载波顺序进行掩蔽，然后转换成时域信号送入信道中实现信号传输。
结合第一方面，进一步的，获取发送信号并对其进行预处理得到预处理信号，包括：
获取发送信号，将发送信号进行串并变换得到预处理信号。
结合第一方面，进一步的，所述预处理信号为并行的多路二进制数据流。
结合第一方面，进一步的，所述多维混沌系统的表达式为：
f(x)＝bx+0.5(a-b)(|x+1|-|x-1|)
其中，x、y、z是生成的混沌序列，a、b是多维混沌系统中的常量，α、β是控制参数。
结合第一方面，进一步的，利用多维混沌系统生成的混沌序列对信息索引位矩阵进行加密，包括：
选取M行混沌序列进行排序和矩阵变换，将原始的信息索引位矩阵进行置乱得到新的信息索引位矩阵，其中M是原始的信息索引位矩阵的长度。
结合第一方面，进一步的，利用多维混沌系统生成的混沌序列对冻结比特位信息进行加密，包括：
将混沌序列乘1015后与2相除求余数，得到冻结比特位传输的数字，完成对冻结比特位信息的加密。
结合第一方面，进一步的，利用多维混沌系统生成的混沌序列对子载波顺序进行掩蔽，包括：
选取K行混沌序列进行排序并记录排序规则，对子载波按照所述排序规则进行同样的排序，完成对子载波的调制和对子载波顺序的掩蔽，其中K是子载波的数量。
结合第一方面，进一步的，将加密信号进行预处理得到串行数据流，对串行数据流进行映射得到映射信号，包括：
对加密信号进行并串变换得到一路串行数据流，将串行数据流送入QAM映射模块实现星座图的映射，得到映射信号。
结合第一方面，进一步的，将映射信号调制到子载波上，然后转换成时域信号，包括：
利用逆傅里叶变换将调制到子载波上的映射信号转换成时域信号。
第二方面，本发明还提供了一种联合Polar编码与混沌加密的信号传输系统，包括：
预处理模块：用于获取发送信号并对其进行预处理得到预处理信号；
加密模块：用于对所述预处理信号进行Polar编码，在编码的过程中利用多维混沌系统生成的混沌序列对信息索引位矩阵、冻结比特位信息进行加密，得到加密信号；
掩蔽传输模块：用于将加密信号进行预处理得到串行数据流，对串行数据流进行映射得到映射信号，将映射信号调制到子载波上，在调制的过程中利用多维混沌系统生成的混沌序列对子载波顺序进行掩蔽，然后转换成时域信号送入信道中实现信号传输。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
本发明提供的一种联合Polar编码与混沌加密的信号传输方法及系统，在进行Polar编码的过程中利用多维混沌系统生成的混沌序列对信息索引位矩阵、冻结比特位信息进行加密，利用混沌序列的伪随机性和参数敏感性实现对Polar码内部的信息索引位矩阵、冻结比特位信息的加密，能够将真正传输的信息完美隐藏在冻结比特位，有效防止信息被非法接收和恶意攻击，从信源编码的角度进行混沌加密，使通信系统兼具纠错和加密的能力；在将映射信号调制到子载波上的过程中利用多维混沌系统生成的混沌序列对子载波顺序进行掩蔽，使其在接收端无法直接获取正确的信息；综上所述，本发明方案通过联合Polar编码与混沌加密实现了高安全高可靠性的信号传输。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种联合Polar编码与混沌加密的信号传输方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的混沌相图；
图3是本发明实施例提供的在Polar编码过程中进行加密的流程图；
图4是本发明实施例提供的对子载波顺序进行掩蔽的示意图；
图5是本发明实施例提供的仿真中得到的接收端星座图；
图6是本发明实施例提供的仿真下不同SNR的误码率曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，本发明实施例提供的一种联合Polar编码与混沌加密的信号传输方法，包括：
S1、获取发送信号并对其进行预处理得到预处理信号。
在光通信系统中，发送端的原始数据(即发送信号)需要先进行预处理，即先获取发送信号，然后对发送信号进行预处理得到预处理信号。
上述预处理的过程包括：将发送端的发送信号经过串并变换后得到并行的多路二进制数据流，所述并行的多路二进制数据流就是预处理信号，然后将并行的多路二进制数据流进行下一步的Polar编码。
S2、对所述预处理信号进行Polar编码，在编码的过程中利用多维混沌系统生成的混沌序列对信息索引位矩阵、冻结比特位信息进行加密，得到加密信号。
通过对相对短的多路多路二进制数据流进行Polar编码，降低 Polar编码过程的复杂度。
在Polar编码的过程中，利用多维混沌系统生成的混沌序列对信息索引位矩阵、冻结比特位信息进行加密。
先利用多维混沌系统生成混沌序列，在本实施例中利用三维蔡氏混沌系统生成三组混沌序列，三维蔡氏混沌系统可以用如下表达式表示：
f(x)＝bx+0.5(a-b)(|x+1|-|x-1|)
其中，x、y、z是生成的混沌序列，a、b是多维混沌系统中的常量，α、β是控制参数。
在本实施例中的a、b、α、β取值分别为-1.27、-0.65、10、14.87，初值(x0，y0，z0)设定为(0.3，-0.8，0.5)，从图2所示的混沌相图可以清晰看出：生成的混沌序列对初值十分敏感，并表现出了伪随机性，能够用于通信系统的加密。
在Polar码中，信息索引位矩阵对正确译码极其重要，因此利用上述的混沌序列对其进行掩蔽扰动(加密)是十分有必要的。
本实施例中，选取混沌序列x对信息索引位矩阵的信息(inf_bite) 进行掩蔽扰动，信息索引位矩阵的长度与Polar编码过程中分割成的块长度(blocksize)相关，假定信息索引位矩阵的长度为M，选取M 行的混沌序列x进行排序和矩阵变换，将原始的信息索引位矩阵进行置乱得到新的信息索引位矩阵，具体的生成规则如下：
p＝sort(mod(x，1))
inf_bite＝inf_bite(p)
其中，混沌序列x和信息索引位矩阵一一对应，对混沌序列x进行从小到大的排序，并记录下排序后的规则，用p表示，新的排序规则用于对信息索引位矩阵进行置乱。
本发明方案在进行Polar编码时，将数据分成多个块分别进行编码过程，利用混沌序列y决定每块编码过程中冻结比特位的数字是1 或0。
在接收端的译码过程中，冻结比特位的数字是实现正确译码的前提，由于无法提前确定冻结比特位的数字，可以将通信系统中真正的信息隐藏在冻结比特位的数字中，进一步增强通信系统的安全性。
基于混沌序列y，将混沌序列y乘1015后与2相除求余数，用于确定冻结比特位传输的数字，完成对冻结比特位信息的加密，具体的生成规则如下：
l＝floor(mod(y·1015，2))
其中，混沌序列y的选取长度由Polar编码时的块数决定，l是混沌隐藏后的冻结比特位的数字，值为1或0。
Polar编码是一种基于信道极化的FEC编码方式，其主要的编码流程包括：信道极化、信道排序(信息比特位的选择)。
图3以编码速率0.5为例，n＝2m个独立的二进制输入离散无记忆信道进行信道合并和拆分得到2n个极化信道(U)；对极化后的信道进行可靠性排序，信道可以分为两部分，一部分是用于传输信息的可靠低噪信道，一份是传输冻结比特的不可靠信道；同时，利用密钥，在混沌映射系统下生成多组掩蔽向量，对信道可靠性排序时的信息索引位矩阵、冻结比特位的数字进行加密。
在Polar码的译码过程中，信息索引位矩阵信息、冻结比特位信息(数字)至关重要，通过与物理层的混沌加密融合，实现对传输信息的隐藏(加密)，加密完成后得到加密信号。
S3、将加密信号进行预处理得到串行数据流，对串行数据流进行映射得到映射信号，将映射信号调制到子载波上，在调制的过程中利用多维混沌系统生成的混沌序列对子载波顺序进行掩蔽，然后转换成时域信号送入信道中实现信号传输。
正交频分复用(OFDM)技术因其高频谱效率、色散鲁棒性、低成本和灵活调制的特性，逐渐成为新一代无源光网络接入网技术。
在对加密信号进行预处理(即并串变换)后，转换成一路串行数据流，将串行数据流送入QAM映射模块，实现星座图的映射，得到映射信号。
将映射信号调制到相互正交的子载波上，在在调制的过程中利用多维混沌系统生成的混沌序列对子载波顺序进行掩蔽，使其在接收端无法直接获取正确的信息，经过光纤传输，在接收端只有使用特定的原始密钥才能解开加密过程，获得正确的传输信息。
利用多维混沌系统生成的混沌序列z对子载波顺序进行掩蔽，掩蔽扰动的规则与上述的信息索引位矩阵的扰动规则类似。
如图4所示，假设子载波的数量为K个，对选取的混沌序列z 进行排序，并记录排序的规则，对子载波进行同样的排序置乱过程，最终完成对子载波的调制和掩蔽扰动过程：
q＝sort(mod(z，1))
subcarriers＝subcarriers(q)
其中，混沌序列z与子载波初始顺序一一对应，对混沌序列z进行从小到大的排序，并记录下排序后的规则，用q表示，新的排序规则用于对子载波顺序进行置乱。
在将映射信号调制到子载波后，经过逆傅里叶变换转换成时域信号，送入光纤信道中传输，实现信号的传输。
本发明实施例还提供仿真模拟得到了接收端的星座图，如图5所示，图5是经过加性白高斯噪声信道后(SNR＝9.2)接收端接收到的星座图，虽然星座图的效果较差，但经过Polar译码和解混沌过程后，接收端的误码率(BER)降低到0.39×10-3，从如图6所示的仿真下不同SNR的误码率曲线可以看出。
实施例2
本发明实施例提供的一种联合Polar编码与混沌加密的信号传输系统，包括：
预处理模块：用于获取发送信号并对其进行预处理得到预处理信号；
加密模块：用于对所述预处理信号进行Polar编码，在编码的过程中利用多维混沌系统生成的混沌序列对信息索引位矩阵、冻结比特位信息进行加密，得到加密信号；
掩蔽传输模块：用于将加密信号进行预处理得到串行数据流，对串行数据流进行映射得到映射信号，将映射信号调制到子载波上，在调制的过程中利用多维混沌系统生成的混沌序列对子载波顺序进行掩蔽，然后转换成时域信号送入信道中实现信号传输。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种联合Polar编码与混沌加密的信号传输方法，其特征在于，包括：
获取发送信号并对其进行预处理得到预处理信号；
对所述预处理信号进行Polar编码，在编码的过程中利用多维混沌系统生成的混沌序列对信息索引位矩阵、冻结比特位信息进行加密，得到加密信号；
将加密信号进行预处理得到串行数据流，对串行数据流进行映射得到映射信号，将映射信号调制到子载波上，在调制的过程中利用多维混沌系统生成的混沌序列对子载波顺序进行掩蔽，然后转换成时域信号送入信道中实现信号传输。
2.根据权利要求1所述的一种联合Polar编码与混沌加密的信号传输方法，其特征在于，获取发送信号并对其进行预处理得到预处理信号，包括：
获取发送信号，将发送信号进行串并变换得到预处理信号。
3.根据权利要求1所述的一种联合Polar编码与混沌加密的信号传输方法，其特征在于，所述预处理信号为并行的多路二进制数据流。
4.根据权利要求1所述的一种联合Polar编码与混沌加密的信号传输方法，其特征在于，所述多维混沌系统的表达式为：
f(x)＝bx+0.5(a-b)(|x+1|-|x-1|)
其中，x、y、z是生成的混沌序列，a、b是多维混沌系统中的常量，α、β是控制参数。
5.根据权利要求1所述的一种联合Polar编码与混沌加密的信号传输方法，其特征在于，利用多维混沌系统生成的混沌序列对信息索引位矩阵进行加密，包括：
选取M行混沌序列进行排序和矩阵变换，将原始的信息索引位矩阵进行置乱得到新的信息索引位矩阵，其中M是原始的信息索引位矩阵的长度。
6.根据权利要求1所述的一种联合Polar编码与混沌加密的信号传输方法，其特征在于，利用多维混沌系统生成的混沌序列对冻结比特位信息进行加密，包括：
将混沌序列乘1015后与2相除求余数，得到冻结比特位传输的数字，完成对冻结比特位信息的加密。
7.根据权利要求1所述的一种联合Polar编码与混沌加密的信号传输方法，其特征在于，利用多维混沌系统生成的混沌序列对子载波顺序进行掩蔽，包括：
选取K行混沌序列进行排序并记录排序规则，对子载波按照所述排序规则进行同样的排序，完成对子载波的调制和对子载波顺序的掩蔽，其中K是子载波的数量。
8.根据权利要求1所述的一种联合Polar编码与混沌加密的信号传输方法，其特征在于，将加密信号进行预处理得到串行数据流，对串行数据流进行映射得到映射信号，包括：
对加密信号进行并串变换得到一路串行数据流，将串行数据流送入QAM映射模块实现星座图的映射，得到映射信号。
9.根据权利要求1所述的一种联合Polar编码与混沌加密的信号传输方法，其特征在于，将映射信号调制到子载波上，然后转换成时域信号，包括：
利用逆傅里叶变换将调制到子载波上的映射信号转换成时域信号。
10.一种联合Polar编码与混沌加密的信号传输系统，其特征在于，包括：
预处理模块：用于获取发送信号并对其进行预处理得到预处理信号；
加密模块：用于对所述预处理信号进行Polar编码，在编码的过程中利用多维混沌系统生成的混沌序列对信息索引位矩阵、冻结比特位信息进行加密，得到加密信号；
掩蔽传输模块：用于将加密信号进行预处理得到串行数据流，对串行数据流进行映射得到映射信号，将映射信号调制到子载波上，在调制的过程中利用多维混沌系统生成的混沌序列对子载波顺序进行掩蔽，然后转换成时域信号送入信道中实现信号传输。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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