CN114915348A - 高安全可靠的三维网格编码调制混沌加密传输系统 - Google Patents

高安全可靠的三维网格编码调制混沌加密传输系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了高安全可靠的三维网格编码调制混沌加密传输系统，涉及网格编码调制技术与混沌安全加密技术领域，二进制序列进入三维网格编码调制模块，部分二进制比特流进入编码速率为R的卷积编码器，编码器输出二进制序列，选择待映射的星座图子集；剩下部分的二进制序列选择每个星座子集中的星座点进行映射，设计三维网格编码调制模块的星座图子集划分和映射方式，得到三维星座图，分数阶混沌模型模块用于星座图子集映射、三维星座图符号信息掩蔽，加密之后的三维星座图符号被送入三维载波幅度相位调制模块，利用数字滤波器组进行多路复用调制，最后送入光纤信道中传输，能够提升通信系统的可靠性和安全性。

Description

高安全可靠的三维网格编码调制混沌加密传输系统
技术领域
本发明涉及网格编码调制技术与混沌安全加密技术领域，具体的是高安全可靠的三维网格编码调制混沌加密传输系统。
背景技术
伴随物联网、虚拟现实、智慧城市、数字孪生等技术的发展，导致当今通信数据流量的需求快速增长，信息传输的可靠性和安全性也逐渐受到更多的关注。相比于传统的电互联网络，无源光网络(PON)具有高灵活性、低功耗、高传输速率等优势，能够满足光接入网中带宽和容量快速增长的需求。然而，由于无源光网络的广播机制，下行信号被所有的网络单元(ONUs)所接收，传输信息的安全无法得到保障。相比于网络层加密方式，采用基于数字信号处理(DSP)的物理层混沌加密方式可以从信源上保障安全性，并且具有低成本、伪随机性、参数敏感性和高存储容量的优势，在安全通信领域崭露头角，先进的调制格式有助于提高光通信系统的频谱效率和传输容量，目前被广泛应用的调制格式包括：脉冲幅度调制(PAM)、正交频分复用(OFDM)、离散多频调制(DMT)和载波幅度相位调制(CAP)。载波幅度相位调制格式是利用数字滤波的方式产生多路复用信号，因其在不需复杂混频器和射频源进行下变频的情况下，支持多电平和多维度的调制，成为IM/DD短距通信场景中极具吸引力的调制格式。
空间维度复用技术和高阶调制格式能够进一步提升光通信系统的传输容量，但由于信道间距缩小而导致信道间串扰的产生，降低了通信系统的可靠性，信道编码技术可以提高抗干扰能力，以牺牲通信系统有效性换取可靠性，通信系统的可靠性和有效性之间相互矛盾，促使了网格编码调制(TCM)技术的产生，网格编码调制技术同时考虑编码与调制，利用星座点集的冗余度传输卷积编码的冗余位，保持符号率和功率不变，用大星座点集传输小比特数的比特序列分组，保持卷积编码的纠错能力，星座点集划分是网格编码调制技术的核心，将星座点划分成若干星座点数相同且排列一致的子集，增大子集中星座点间的最小欧式距离。对于卷积码的译码方式主要分为代数译码和概率译码，基于最大似然估计准则的维特比译码算法属于概率译码，然而，当调制格式阶数的提升，仍采用二维星座图调制会大幅度增加信号平均功率，造成光纤信道非线性效应、功率效率降低、信号点间的欧式距离减小等问题，为此，现在提出高安全可靠的三维网格编码调制混沌加密传输系统。
发明内容
为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供高安全可靠的三维网格编码调制混沌加密传输系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：高安全可靠的三维网格编码调制混沌加密传输系统，包括三维网格编码调制模块、分数阶混沌模型模块和三维载波幅度相位调制模块，所述三维网格编码调制模块用于对二进制序列进行编码调制后生成三维星座图和星座图子集，并且将星座图子集和三维星座图发送至分数阶混沌模型模块进行加密；
所述分数阶混沌模型模块用于在接收到三维网格编码调制模块发送的星座图子集和三维星座图后，对星座图子集映射、三维星座图符号信息掩蔽加密，将加密后的三维星座图符号发送至三维载波幅度相位调制模块；
所述三维载波幅度相位调制模块用于在接收到分数阶混沌模型模块发送的加密后的三维星座图符号，对加密后的三维星座图符号利用数字滤波器组进行多路复用调制，最后送入光纤信道中传输。
进一步地，所述三维网格编码调制模块包括分集映射单元和卷积编码器，所述分集映射单元用于对二进制序列选择星座点进行映射得到三维星座图，所述卷积编码器将二进制序列进行编码后选择待映射的星座图子集。
进一步地，所述卷积编码器的码率R＝m/n。
进一步地，所述所述分数阶混沌模型模块表示为：
Figure BDA0003643477280000031
其中(a,b,c,d,e)是分数阶混沌模型中的常量，D表述分数阶算子，α表示计算的阶数，根据Caputo分数阶定义，分数阶算子写成：
Figure BDA0003643477280000032
式中，
Figure BDA0003643477280000033
是Gamma函数，t和b分别为积分的上下限，f(t)表示被积函数，其中n-1<α<n，n取值1，使得本混沌模型的分数阶次在0和1之间。在实例中，初始密钥(a,b,c,d,e,x,y,z)被设置为(25.6,66.8,39.22,0.2,4,0.5,0.5,0.5)，阶数α取值0.9718。
由分数阶混沌模型生成的三组混沌序列[x]、[y]、[z]分别用于星座图子集映射、三维星座图符号信息掩蔽。在网格编码调制单元中，混沌序列[x]对待进入分集映射的比特序列[X]进行掩蔽加密，具体的掩蔽规则如下：
x'＝floor(mod(x·1015,2))
X'＝(x')xor(X)
以上公式将混沌序列[x]取小数点后15位，再将其对2求余数得到伪随机二进制序列[x’]，最后将二进制序列[x’]与带进入分集映射的比特序列[X]进行异或处理，得到的序列[X’]按照2比特一组进入分集映射选择对应的四个星座点。
进一步地，所述三维载波幅度相位调制模块包括上采样单元、滤波器单元和加法器单元，所述上采样单元用于对三维星座图符号的三个维度信息进行M倍上采样，然后所述滤波器单元将M倍上采样后的三维星座图符号信息进行滤波成型，然后通过加法器单元形成3D-CAP信号。
本发明的有益效果：
本发明在使用的过程中，原始的伪随机二进制序列经过串并变换后，进入三维网格编码调制模块，部分二进制比特流进入编码速率为R的卷积编码器，编码器输出二进制序列，选择待映射的星座图子集；剩下部分的二进制序列选择每个星座子集中的星座点进行映射，设计三维网格编码调制模块的星座图子集划分和映射方式，得到三维星座图，分数阶混沌模型单元同时生成多组混沌掩蔽向量，分别用于星座图子集映射、三维星座图符号信息掩蔽，实现光通信传输的安全加密，加密之后的三维星座图符号被送入三维载波幅度相位调制模块，利用数字滤波器组进行多路复用调制，最后送入光纤信道中传输，能够提升通信系统的可靠性和安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，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的附图；
图1是本发明原理图；
图2为本发明掩蔽前的三维星座图；
图3为本发明掩蔽后的三维星座图；
图4为本发明流程图；
图5为本发明仿真下不同SNR的误码率曲线图；
图6为本发明仿真中混沌系统不同初始值x0的误码率曲线图；
图7为本发明星座图子集划分图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，高安全可靠的三维网格编码调制混沌加密传输系统，包括三维网格编码调制模块、分数阶混沌模型模块和三维载波幅度相位调制模块，所述三维网格编码调制模块用于对二进制序列进行编码调制后生成三维星座图和星座图子集，并且将星座图子集和三维星座图发送至分数阶混沌模型模块进行加密；
需要进一步进行说明的是，在具体实施过程中，所述三维网格编码调制模块包括分集映射单元和卷积编码器，所述分集映射单元用于对二进制序列选择星座点进行映射得到三维星座图，所述卷积编码器的码率R＝m/n，所述卷积编码器将二进制序列进行编码后选择待映射的星座图子集。
需要进一步进行说明的是，在具体实施过程中，划分星座点子集的方式，增大星座点间的最小欧式距离，提高接收端的灵敏度，在本实施例中，以三维32QAM星座图为例，根据次最小欧式距离的划分准则对其进行星座点子集划分，因为要保持每次划分的各星座点子集中的星座点数相同，且欧式距离分布一致，三维32QAM经过两次子集分割后得到了八个星座点子集，每个子集中四个星座点的欧式距离分布一致，且相邻星座点间最小欧式距离是原始32QAM星座图的2倍，采用码率R＝2/3的卷积编码器，输出的三位编码比特等概率的选择八个星座子集进行映射，最终输出三维的星座点符号。
所述分数阶混沌模型模块用于在接收到三维网格编码调制模块发送的星座图子集和三维星座图后，对星座图子集映射、三维星座图符号信息掩蔽，需要进一步进行说明的是，在具体实施过程中，这样设计的好处是为了实现光通信传输的安全加密，将加密后的三维星座图符号发送至三维载波幅度相位调制模块；
需要进行说明的是，所述分数阶混沌模型模块表示为：
Figure BDA0003643477280000061
其中(a,b,c,d,e)是分数阶混沌模型中的常量，D表述分数阶算子，α表示计算的阶数，根据Caputo分数阶定义，分数阶算子写成：
Figure BDA0003643477280000062
式中，
Figure BDA0003643477280000063
是Gamma函数，t和b分别为积分的上下限，f(t)表示被积函数，其中n-1<α<n，n取值1，使得本混沌模型的分数阶次在0和1之间。在实例中，初始密钥(a,b,c,d,e,x,y,z)被设置为(25.6,66.8,39.22,0.2,4,0.5,0.5,0.5)，阶数α取值0.9718。
由分数阶混沌模型生成的三组混沌序列[x]、[y]、[z]分别用于星座图子集映射、三维星座图符号信息掩蔽。在网格编码调制单元中，混沌序列[x]对待进入分集映射的比特序列[X]进行掩蔽加密，具体的掩蔽规则如下：
x'＝floor(mod(x·1015,2))
X'＝(x')xor(X)
以上公式将混沌序列[x]取小数点后15位，再将其对2求余数得到伪随机二进制序列[x’]，最后将二进制序列[x’]与带进入分集映射的比特序列[X]进行异或处理，得到的序列[X’]按照2比特一组进入分集映射选择对应的四个星座点。
所述三维载波幅度相位调制模块用于在接收到分数阶混沌模型模块发送的加密后的三维星座图符号，对加密后的三维星座图符号利用数字滤波器组进行多路复用调制，最后送入光纤信道中传输，从而实现高安全可靠的光通信传输系统。
需要进一步进行说明的是，在具体实施过程中，所述三维载波幅度相位调制模块包括上采样单元、滤波器单元和加法器单元，所述上采样单元用于对三维星座图符号的三个维度信息进行M倍上采样，从而实现信号在频谱上的M倍周期扩展，然后所述滤波器单元将M倍上采样后的三维星座图符号信息进行滤波成型，然后通过加法器单元形成3D-CAP信号。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (5)

1.高安全可靠的三维网格编码调制混沌加密传输系统，其特征在于，包括三维网格编码调制模块、分数阶混沌模型模块和三维载波幅度相位调制模块，所述三维网格编码调制模块用于对二进制序列进行编码调制后生成三维星座图，并且将三维星座图发送至分数阶混沌模型模块进行加密；
所述分数阶混沌模型模块用于在接收到三维网格编码调制模块发送的三维星座图后，对三维星座图的星座图子集映射、三维星座图符号信息掩蔽加密，将加密后的三维星座图符号发送至三维载波幅度相位调制模块；
所述三维载波幅度相位调制模块用于在接收到分数阶混沌模型模块发送的加密后的三维星座图符号，对加密后的三维星座图符号利用数字滤波器组进行多路复用调制，最后送入光纤信道中传输。
2.根据权利要求1所述的高安全可靠的三维网格编码调制混沌加密传输系统，其特征在于，所述三维网格编码调制模块包括分集映射单元和卷积编码器，所述分集映射单元用于对二进制序列选择星座点进行映射得到三维星座图，所述卷积编码器将二进制序列进行编码后选择待映射的星座图子集。
3.根据权利要求2所述的高安全可靠的三维网格编码调制混沌加密传输系统，其特征在于，所述卷积编码器的码率R＝m/n。
4.根据权利要求1所述的高安全可靠的三维网格编码调制混沌加密传输系统，其特征在于，所述分数阶混沌模型模块表示为：
Figure FDA0003643477270000011
其中(a,b,c,d,e)是分数阶混沌模型中的常量，D表述分数阶算子，α表示计算的阶数，根据Caputo分数阶定义，分数阶算子写成：
Figure FDA0003643477270000021
式中，Γ(·)是Gamma函数，t和b分别为积分的上下限，f(t)表示被积函数，其中n-1<α<n，n取值1，使得本混沌模型的分数阶次在0和1之间；在实例中，初始密钥(a,b,c,d,e,x,y,z)被设置为(25.6,66.8,39.22,0.2,4,0.5,0.5,0.5)，阶数α取值0.9718；
由分数阶混沌模型生成的三组混沌序列[x]、[y]、[z]分别用于星座图子集映射、三维星座图符号信息掩蔽，在网格编码调制单元中，混沌序列[x]对待进入分集映射的比特序列[X]进行掩蔽加密，具体的掩蔽规则如下：
x'＝floor(mod(x·1015,2))
X'＝(x')xor(X)
以上公式将混沌序列[x]取小数点后15位，再将其对2求余数得到伪随机二进制序列[x’]，最后将二进制序列[x’]与带进入分集映射的比特序列[X]进行异或处理，得到的序列[X’]按照2比特一组进入分集映射选择对应的四个星座点。
5.根据权利要求1所述的高安全可靠的三维网格编码调制混沌加密传输系统，其特征在于，所述三维载波幅度相位调制模块包括上采样单元、滤波器单元和加法器单元，所述上采样单元用于对三维星座图符号的三个维度信息进行M倍上采样，然后所述滤波器单元将M倍上采样后的三维星座图符号信息进行滤波成型，然后通过加法器单元形成3D-CAP信号。
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