CN114665979B - 基于种群演变迭代的超长距光传输方法及系统 - Google Patents

基于种群演变迭代的超长距光传输方法及系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种基于种群演变迭代的超长距光传输方法及系统，方法包括以下步骤：步骤1：输入比特信号经过串并转换变成宽度为N个子载波的并行数据，每4比特数据通过16QAM编码映射为QAM信号；步骤2：种群演变迭代生成长度为N的QAM信号，对不同子载波上的数据进行加密操作；步骤3：新生成的QAM信号经过傅立叶逆变换形成时域信号，经过压扩运算处理，作为最终调制到光发射机的电信号。该方法能够提供极大的密钥空间，提高穷举攻击的难度，保证系统的安全性。将非线性压扩函数引入CO‑OFDM物理层加密，能够降低加密传输过程中的PAPR。

Description

基于种群演变迭代的超长距光传输方法及系统
技术领域
本发明涉及一种高速传输的数据进行加密方法，尤其涉及一种基于种群演变迭代的超长距光传输方法及系统。
背景技术
随着现代科技的发展和数字通信的全球化，人们对通信的需求越来越高，光通信网络由于其通信容量大、传输距离长、传输速度快的优点，成为了信息传输的主流，在电力行业被广泛应用。光通信系统信息的安全性是提高电力系统传输可靠性的重要保证。
超长距传输是电力通信系统中的关键技术，能够极大地提高电力输送的效率。随着传输距离的增加，光纤链路中的损伤也会逐渐累积。相干光正交频分复用系统融合了正交频分复用技术和相干检测的双重优势，能够有效抑制高速光纤传输中存在的色度色散和偏振模色散，是一种新型的光通信技术。在超长距电力通信系统中，通常使用OPGW光缆作为传输链路。这种光缆架空传输，更容易受到风力、覆冰等外力的影响，一旦遭到外界恶意攻击，信号更容易受到损伤。因此，在超长距电力传输系统中对架空信息进行加密非常重要。
当前不断发展的光网络对于数据的加密处理提出了更高的要求。应用层和传输层存在大量漏洞，若攻击者拥有一个足够大的电带宽解调器，就可以容易地获取传输的数据，很难保证通信系统的安全性。而在相干光正交频分复用系统中，数字信号处理模块通过产生和调制信号，为物理层加密提供了可能。在相干光正交频分复用系统中，从物理层进行加密能够增强较高级层的安全性，同时也更容易对高速传输的数据进行加密。
近年来，对物理层加密的方法被广泛地研究。对光OFDM系统的基于物理层加密技术国内外已经有大量的研究，按照加密信号的种类可以分为两类：光域加密和电域加密。光域加密是在光域上将明文使用密钥加密转化为密文，光域加密方式有全光逻辑加密、码分多址加密两种，在光纤链路中传输的信号已经经过加密，所以通过折弯光纤、耦合泄露或光栅散射等方式获取信号也无法恢复明文获得正确的信息。电域加密技术指对电信号进行异或扰动、置乱等操作。常见的电域加密信号维度有星座图、时频域、子载波等等。通过时频域扰乱、比特数据加密、导频替换、子载波置换、改变索引等加密处理，可以有效的将混沌的随机性引入到数据序列中，进而改变原有的信息序列使得加密处理后的信息序列与原有信息序列相关性明显降低，直接窃取信息的难度也明显增加。
发明内容
本发明针对现有的物理层加密方案会对系统性能产生影响的问题，提出一种基于种群演变迭代的加密方法，具有很大的密钥空间来保证系统的安全性，同时系统性能没有受到影响。
为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
第一方面，本申请实施例提供一种基于种群演变迭代的超长距光传输方法，包括以下步骤：
步骤1：输入比特信号经过串并转换变成宽度为N个子载波的并行数据，每4比特数据通过16QAM编码映射为QAM信号；
步骤2：种群演变迭代生成长度为N的QAM信号，对不同子载波上的数据进行加密操作；
步骤3：新生成的QAM信号经过傅立叶逆变换形成时域信号，经过压扩运算处理，作为最终调制到光发射机的电信号。
所述步骤2中对不同子载波上的数据进行加密操作的具体步骤为：
将每一个子载波的QAM符号看成一个待加密种群，由种群演变生成的每N个伪随机序列看成一个密钥种群，对应同一时间间隔的不同子载波上的所有QAM信号，随着种群的演化而生成的每一代密钥种群的信息与不同时刻的QAM信号组相对应，然后通过QAM符号的运算实现加密，其用公式表示为：
Q′i(k)＝Qi(k)*Di(k) k＝1……N (1)
其中，Q′i(k)表示Qi(k)加密后的信号，Qi(k)表示第k个子载波上的第i个符号的的信号；*是符号加密运算，定义为比特异或得到的映射计算，Q′i(k)为比特的异或结果所对应的QAM信号；Di(k)代表密钥种群第i代第k个个体代表的密钥符号，由初始种群经过交叉变异演变，并由四个长度为N，范围为0～1的数据x1,x2,x3,x4指导生成。
所述种群演变迭代的过程为：
首先初始密钥种群D0由x1生成，密钥种群包含N个个体，每个密钥个体的特征有4位信息，其公式为：
D0(k)＝floor(x1(k)×16) k＝1……N (2)
种群演变过程分为交叉过程和变异过程，交叉过程中Di依据x2对种群进行两两交换，定义交叉阈值PC并使用x2(k)与之比较判定是否进行交换，使用Di(k+1)判定在L长度的个体信息中发生交换的位置，公式如：
其中Di(k,c)代表第i代第k个密钥个体中的第c个标签信息位，x2(k)指导第k组是否进行交换，并由Di(k+1)得到交换的位置，c是由x2(k+1)计算得到指导交换的位置，
变异过程中D′依据x3和x4对种群进行变异，定义变异阈值PM并使用x3(k)比较判定是否进行变异，使用x4(k+1)判定在L长度的个体信息中发生交换的位置，公式如用公式可以表示为：
m＝floor(x4(k)×L)
最终演化种群被定义为新一代种群：
Di+1＝D″i (5)
交叉过程中的交叉阈值PC和变异过程中的变异阈值PM的取值范围是0-1，通过调整PC和PM的值，可以调整交叉和变异的效果并最终影响密钥种群的演变。
所述步骤3中压扩运算处理的压缩函数表示为：
式中v,α为压扩函数中的控制参数，通过控制v,α的取值来使得PAPR值得到最优，x(t)为原始信号的幅值，x′(t)为经过压扩函数处理之后的信号幅值。
第二方面，本申请实施例提供一种基于种群演变迭代的超长距光传输系统，包括串并转换模块、QAM映射模块、QAM加密模块、傅立叶逆变换模块、压扩运算处理模块、调制模块以及种群演变系统，
所述串并转换模块将输入的比特信号变成宽度为N个子载波的并行数据；
所述QAM映射模块将每4比特并行数据通过16QAM编码映射为QAM信号；
所述种群演变系统和QAM加密模块对不同子载波上的数据进行加密操作；
所述傅立叶逆变换模块将加密后新生成的QAM信号变换形成时域信号；
所述压扩运算处理模块将傅立叶逆变换模块变换形成时域信号进行压扩运算处理；
所述调制模块将进行压扩运算处理后的时域信号调制到光发射机的电信号。
第三方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有程序代码，所述程序代码被处理器执行时，实现如上所述的基于种群演变迭代的超长距光传输方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过对初始种群进行交叉、变异操作生成混沌种群，混沌种群的每一代个体的信息与同一时间间隔的不同子载波上的信号进行加密运算。该方法能够提供极大的密钥空间，提高穷举攻击的难度，保证系统的安全性。将非线性压扩函数引入CO-OFDM物理层加密。能够降低加密传输过程中的PAPR。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为基于种群演变和压扩运算加密的正交频分复用系统框图；
图2为种群演变中交叉过程示意图。
图3为种群演变中变异过程示意图。
图4为正常接受不同信号以及非法窃听者接收信号的BER随OSNR变化图；
图5为PAPR曲线图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
如图1所示，本发明提供了一种基于种群演变迭代的超长距光传输系统，包括串并转换模块、QAM映射模块、QAM加密模块、傅立叶逆变换模块、压扩运算处理模块、调制模块以及种群演变系统，
所述串并转换模块将输入的比特信号变成宽度为N个子载波的并行数据；
所述QAM映射模块将每4比特并行数据通过16QAM编码映射为QAM信号；
所述种群演变系统和QAM加密模块对不同子载波上的数据进行加密操作；
所述傅立叶逆变换模块将加密后新生成的QAM信号变换形成时域信号；
所述压扩运算处理模块将傅立叶逆变换模块变换形成时域信号进行压扩运算处理；
所述调制模块将进行压扩运算处理后的时域信号调制到光发射机的电信号。
第二方面，本发明提供了一种基于种群演变迭代的超长距光传输方法，包括以下步骤：
步骤1：输入比特信号经过串并转换变成宽度为N个子载波的并行数据，每4比特数据通过16QAM编码映射为QAM信号；
相干光正交频分复用发送端信号可以表示为：
其中N是子载波的数量，Ts是每个正交频分复用符号的时间周期，s1,s2,...st是不同时间间隔，f1,f2,...fN为第N个子载波的频率，调制后的QAM信号表示为Qk。
步骤2：种群演变迭代生成长度为N的QAM信号，对不同子载波上的数据进行加密操作；
步骤3：新生成的QAM信号经过傅立叶逆变换形成时域信号，经过压扩运算处理，作为最终调制到光发射机的电信号。
所述步骤2中对不同子载波上的数据进行加密操作的具体步骤为：
将每一个子载波的QAM符号看成一个待加密种群，由种群演变生成的每N个伪随机序列看成一个密钥种群，对应同一时间间隔的不同子载波上的所有QAM信号，随着种群的演化而生成的每一代密钥种群的信息与不同时刻的QAM信号组相对应，然后通过QAM符号的运算实现加密，其用公式表示为：
Q′i(k)＝Qi(k)*Di(k) k＝1……N (2)
其中，Q′i(k)表示Qi(k)加密后的信号，Qi(k)表示第k个子载波上的第i个符号的的信号；*是符号加密运算，定义为比特异或得到的映射计算，Q′i(k)为比特的异或结果所对应的QAM信号；Di(k)代表密钥种群第i代第k个个体代表的密钥符号，由初始种群经过交叉变异演变，并由四个长度为N，范围为0～1的数据x1,x2,x3,x4指导生成。
所述种群演变迭代的过程为：
首先初始密钥种群D0由x1生成，密钥种群包含N个个体，每个密钥个体的特征有4位信息，其公式为：
D0(k)＝floor(x1(k)×16) k＝1……N (3)
种群演变过程分为交叉过程和变异过程，交叉过程中Di依据x2对种群进行两两交换，定义交叉阈值PC并使用x2(k)与之比较判定是否进行交换，使用Di(k+1)判定在L长度的个体信息中发生交换的位置，公式如：
其中Di(k,c)代表第i代第k个密钥个体中的第c个标签信息位，x2(k)指导第k组是否进行交换，并由Di(k+1)得到交换的位置，c是由x2(k+1)计算得到指导交换的位置，
变异过程中D′依据x3和x4对种群进行变异，定义变异阈值PM并使用x3(k)比较判定是否进行变异，使用x4(k+1)判定在L长度的个体信息中发生交换的位置，公式如用公式可以表示为：
m＝floor(x4(k)×L)
最终演化种群被定义为新一代种群：
Di+1＝D″i (6)
交叉过程中的交叉阈值PC和变异过程中的变异阈值PM的取值范围是0-1，通过调整PC和PM的值，可以调整交叉和变异的效果并最终影响密钥种群的演变。
所述步骤3中压扩运算处理的压缩函数表示为：
式中v,α为压扩函数中的控制参数，通过控制v,α的取值来使得PAPR值得到最优，x(t)为原始信号的幅值，x′(t)为经过压扩函数处理之后的信号幅值。
图2和图3分别展示了交叉过程和变异过程。
16QAM相干光传输系统上进行的仿真验证了本发明的可行性。在仿真中，系统参数设置如下:码元速率为28GBaud，子载波数为128,OFDM码元数为400。
从纯密文攻击方式分析了算法的密钥空间和安全性。在不同的光信噪比(OSNR)条件下，验证了加密算法的可行性和安全性。结果表明，本发明能够在误码率可控的情况下保证数据传输的安全性，并且优化了正交频分复用系统中的PAPR。
图4展示了原始信号的BER随着OSNR变化的趋势曲线、加密而不进行畸变的信号的BER曲线、进行了加密和畸变的BER曲线的绘制。可以看到除畸变信号外的其他信号都能在OSNR到达19dB后将BER水平降低到前向纠错(FEC)之下。引入畸变以后，带来了一定的OSNR代价，大约需要21dB才能将BER水平降低到FEC之下。证明了该方案能在可控开销下保证系统安全性。图4还展示了非法窃听者正确获取信息的比率为0.5，这意味着无法获取任何有用的信息，保证了最基本的传输安全。
在OFDM系统中，由于多个正交的子载波的存在，所以可能会出现多个子信道上的信号相位一致造成信号的峰值变高，从而产生一个较大的PAPR值，而较大的PAPR会对功率放大器造成不利影响，因此要尽量降低OFDM系统的PAPR值。本方案采用算法进行非线性压扩，将峰值降低。图展示了使用非线性压扩算法和不使用非线性压扩算法的PAPR的CCDF曲线。从图5中看出PAPR最高值从11dB降低到7.5dB，平均取值也有所降低。
分析还证明，该加密系统具有很大的密钥空间。该方案由x1,x2,x3,x4四个变量作为初值，考虑到取模操作，初值的密钥空间可以达到16N,AN/2*4N/2,AN,4N(A取决于比较时的精度)，总密钥空间可以达到27N*A3N/2，即便取最小的A＝2，也达到28.5N，子载波数N＝128时密钥空间高达3.3*10327。实验分析表明，该方案不仅能提供更大的密钥空间，还能够有效地降低PAPR。
本发明提供了一种基于种群演变迭代的超长距光传输方法，种群演变迭代产生的混沌系统。该方法能够提供极大的密钥空间，提高穷举攻击的难度，保证系统的安全性。将非线性压扩函数引入CO-OFDM物理层加密。能够降低加密传输过程中的PAPR。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有程序代码，所述程序代码被处理器执行时，实现如上所述的基于种群演变迭代的超长距光传输方法的步骤。
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。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于种群演变迭代的超长距光传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：输入比特信号经过串并转换变成宽度为N个子载波的并行数据，每4比特数据通过16QAM编码映射为QAM信号；
步骤2：种群演变迭代生成长度为N的QAM信号，对不同子载波上的数据进行加密操作；
步骤3：新生成的QAM信号经过傅立叶逆变换形成时域信号，经过压扩运算处理，作为最终调制到光发射机的电信号；
所述步骤2中对不同子载波上的数据进行加密操作的具体步骤为：
将每一个子载波的QAM符号看成一个待加密种群，由种群演变生成的每N个伪随机序列看成一个密钥种群，对应同一时间间隔的不同子载波上的所有QAM信号，随着种群的演化而生成的每一代密钥种群的信息与不同时刻的QAM信号组相对应，然后通过QAM符号的运算实现加密，其用公式表示为：
Qi′(k)＝Qi(k)*Di(k) k＝1……N (1)
其中，Q′i(k)表示Qi(k)加密后的信号，Qi(k)表示第k个子载波上的第i个符号的信号；*是符号加密运算，定义为比特异或得到的映射计算，Q′i(k)为比特的异或结果所对应的QAM信号；Di(k)代表密钥种群第i代第k个个体代表的密钥符号，由初始种群经过交叉变异演变，并由四个长度为N，范围为0～1的数据x1,x2,x3,x4指导生成；
所述种群演变迭代的过程为：
首先初始密钥种群D0由x1生成，密钥种群包含N个个体，每个密钥个体的特征有4位信息，其公式为：
D0(k)＝floor(x1(k)×16) k＝1……N (2)
种群演变过程分为交叉过程和变异过程，交叉过程中Di依据x2对种群进行两两交换，定义交叉阈值PC并使用x2(k)与之比较判定是否进行交换，使用Di(k+1)判定在L长度的个体信息中发生交换的位置，公式如：
其中k＝1，3，…N-1，c＝floor(x2(k+1)×L)，Di(k,c)代表第i代第k个密钥个体中的第c个标签信息位，x2(k)指导第k组是否进行交换，并由Di(k+1)得到交换的位置，c是由x2(k+1)计算得到指导交换的位置，
变异过程中D′依据x3和x4对种群进行变异，定义变异阈值PM并使用x3(k)比较判定是否进行变异，使用x4(k+1)判定在L长度的个体信息中发生交换的位置，公式如用公式可以表示为：
最终演化种群被定义为新一代种群：
Di+1＝D″i (5)
交叉过程中的交叉阈值PC和变异过程中的变异阈值PM的取值范围是0-1，通过调整PC和PM的值，可以调整交叉和变异的效果并最终影响密钥种群的演变。
2.根据权利要求1所述的一种基于种群演变迭代的超长距光传输方法，其特征在于，所述步骤3中压扩运算处理的压缩函数表示为：
式中v,α为压扩函数中的控制参数，通过控制v,α的取值来使得PAPR值得到最优，x(t)为原始信号的幅值，x′(t)为经过压扩函数处理之后的信号幅值。
3.一种基于种群演变迭代的超长距光传输系统，用以实现如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，包括串并转换模块、QAM映射模块、QAM加密模块、傅立叶逆变换模块、压扩运算处理模块、调制模块以及种群演变系统，
所述串并转换模块将输入的比特信号变成宽度为N个子载波的并行数据；
所述QAM映射模块将每4比特并行数据通过16QAM编码映射为QAM信号；
所述种群演变系统和QAM加密模块对不同子载波上的数据进行加密操作；
所述傅立叶逆变换模块将加密后新生成的QAM信号变换形成时域信号；
所述压扩运算处理模块将傅立叶逆变换模块变换形成时域信号进行压扩运算处理；
所述调制模块将进行压扩运算处理后的时域信号调制到光发射机的电信号。
4.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有程序代码，所述程序代码被处理器执行时，实现如权利要求1或2所述的基于种群演变迭代的超长距光传输方法的步骤。
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