CN116208315A - 基于概率整形与魔方加密的cap数据传输方法及系统 - Google Patents

基于概率整形与魔方加密的cap数据传输方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于概率整形与魔方加密的CAP数据传输方法及系统，发送端对原始数据进行串/并变换，获得三路输入信号；将三路输入信号映射到三维星座图进行映射加密处理，同时进行概率整形，获得三路整形信号；对三路整形信号进行魔方加密，获得三路加密信号；对三路加密信号进行CAP调制，并合并为一路数据传输信号，用于接收端接收所述数据传输信号并进行逆向变换获得所述原始数据。本发明提高了星座点的利用率，增强了系统的抗噪声性能，提高了系统的安全性。

Description

基于概率整形与魔方加密的CAP数据传输方法及系统
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于概率整形与魔方加密的CAP数据传输方法及系统。
背景技术
随着5G、云计算、云存储、物联网、智能驾驶等应用的不断涌现，通信所需的数据容量呈指数级激增，终端用户的增长对带宽的需求不断增加。先进的编码调制技术开始引起人们的广泛关注。无载波幅度和相位调制(CAP)是一种多维多阶的调制技术，它在20世纪70年代首先由贝尔实验室提出。采用这种调制技术，可以在有限带宽的条件下实现高频谱效率的高速传输。相比于正交频分复用技术(OFDM)，CAP调制也不再需要采用离散傅里叶变换(DFT)，从而极大地减少了系统的计算复杂度和结构。随着对CAP研究的不断深入，目前CAP的应用已经不仅仅是二维的，还包括三维甚至多维的。事实上，高维星座可以进一步扩大星座点之间的欧氏距离，使得星座点的位置更加灵活，加密方法更加多样。现有技术中星座点的利用率偏低，系统的抗噪声性能不强，数据的安全性有待提高。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种基于概率整形与魔方加密的CAP数据传输方法及系统，提高了星座点的利用率，增强了系统的抗噪声性能，提高了系统的安全性。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
第一方面，提供一种数据传输方法，包括：发送端对原始数据进行串/并变换，获得三路输入信号；将三路输入信号映射到三维星座图进行映射加密处理，同时进行概率整形，获得三路整形信号；对三路整形信号进行魔方加密，获得三路加密信号；对三路加密信号进行CAP调制，并合并为一路数据传输信号，用于接收端接收所述数据传输信号并进行逆向变换获得所述原始数据。
进一步地，将三路输入信号映射到三维星座图进行映射加密处理，同时进行浮动概率整形，包括：采用由两个正立方体组成的三维星座结构进行数据映射，从五维纠缠混沌模型的五组混沌序列X、Y、Z、W、U中提取两组混沌序列X，Y，对混沌序列X，Y进行取余以及取整处理，得到掩蔽向量，其中，定义X1，X2为处理后的两组掩蔽向量：
Figure BDA0004087068590000021
其中，mod表示取余操作，floor表示取整处理；将掩蔽向量X1作用于外层立方体顶点的8个星座点，当掩蔽向量X1为0时，原星座点的数据保持不变；当掩蔽向量X1为1时，将外层星座点的数据转移到内层相邻星座点进行调制，用于实现动态概率整形；将掩蔽向量X2作用于所有星座点，当掩蔽向量X2为0时，原星座点的数据保持不变；当掩蔽向量X2不为0时，将星座点的数据转移至同层相邻星座点进行调制，用于实现置乱效果。
进一步地，五维纠缠混沌模型的动力学方程为：
Figure BDA0004087068590000022
其中，x，y，z，w，u为状态变量，a，b，c，d，e，h为系统参数。
进一步地，对三路整形信号进行魔方加密，包括：将待传输的三路整形信号总量进行开立方运算并且进位取整得到魔方阶数n；然后将传输的二进制数堆砌成n×n×n的三维立方阵模型；然后从五维纠缠混沌模型的五组混沌序列X、Y、Z、W、U中提取出序列Z、W、U，然后对序列Z、W、U进行取余以及取整处理，得到加密序列，其中，定义Y1，Y2，Y3为处理后的加密序列：
Figure BDA0004087068590000023
第一步：当加密序列Y1为1时，选择XOY平面进行转动；当加密序列Y1为2时，选择XOZ平面进行转动；当加密序列Y1为3时，选择YOZ平面进行转动；第二步：当加密序列Y2为1～n时，即确定第一步平面方向上的第1～n层；第三步：当加密序列Y3为1时，将该层顺时针转动90°；当加密序列Y3为2时，将该层顺时针转动180°；当加密序列Y3为3时，将该层顺时针转动270°；当加密序列Y3为4时，将该层顺时针转动360°。
进一步地，接收端接收所述数据传输信号并进行逆向变换获得所述原始数据，包括：将数据传输信号进行CAP解调，获得三路加密信号；对三路加密信号进行魔方解密，获得三路整形数据；对三路整形数据进行反向概率整形及反向映射，获得三路输入信号；将三路输入信号进行串/并变换，获得原始数据。
第二方面，提供一种数据传输系统，包括：串/并变换模块，用于发送端对原始数据进行串/并变换，获得三路输入信号；动态概率星座映射模块，用于将三路输入信号映射到三维星座图进行映射加密处理，同时进行概率整形，获得三路整形信号；魔方加密模块，用于对三路整形信号进行魔方加密，获得三路加密信号；CAP调制模块，用于对三路加密信号进行CAP调制，并合并为一路数据传输信号，用于接收端接收所述数据传输信号并进行逆向变换获得所述原始数据。
进一步地，接收端包括：CAP解调模块，用于将数据传输信号进行CAP解调，获得三路加密信号；魔方解密模块，用于对三路加密信号进行魔方解密，获得三路整形数据；反向动态概率星座映射模块，用于对三路整形数据进行反向概率整形及反向映射，获得三路输入信号；反向串/并变换模块，用于将三路输入信号进行串/并变换，获得原始数据。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明发送端对原始数据进行串/并变换，将输入信号映射到三维星座图进行映射加密处理，同时进行概率整形，并进行魔方加密，然后进行CAP调制；通过动态概率整形技术，提高了星座点的利用率，改善误码性能，增强了系统的抗噪声性能；同时结合魔方加密方案，实现了物理层双重安全处理，极大的提高了系统的传输性能以及安全性能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于概率整形与魔方加密的CAP数据传输系统的物理层数据加密原理流程框图；
图2是本发明实施例中五维纠缠混沌系统吸引子图，其中，(a)是关于X、Y和Z序列，(b)是关于X、Y和W序列，(c)是关于X和Y序列，(d)是关于X和Z序列，(e)是关于Y、Z和W序列，(f)是关于Y、Z和U序列，(g)是关于Y和Z序列，(h)是关于Y和W序列；
图3是本发明实施例中动态概率整形示意图；
图4是本发明实施例中魔方加密示意图；
图5是本发明实施例中魔方加密过程示意图；
图6是本发明实施例中误码率仿真结果曲线图。
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。
实施例一：
如图1～图6所示，一种基于概率整形与魔方加密的CAP数据传输方法，包括：发送端对原始数据进行串/并变换，获得三路输入信号；将三路输入信号映射到三维星座图进行映射加密处理，同时进行概率整形，获得三路整形信号；对三路整形信号进行魔方加密，获得三路加密信号；对三路加密信号进行CAP调制，并合并为一路数据传输信号，用于接收端接收所述数据传输信号并进行逆向变换获得所述原始数据。
本发明物理层数据加密原理如图1所示，在发送端，原始数据通过串/并变换转换为三路输入信号。这三路输入信号映射到三维星座图的同时进行浮动概率整形处理，得到三路整形信号。然后三路整形信号进入魔方加密模块，实现物理层数据加密，得到三路加密信号。最后通过CAP对这三路加密信号进行调制，将它们合并成一路信号进行传输。接收端与发送端相反，接收到的数据经过CAP解调后，通过魔方解密模块处理与动态概率解映射处理。最后通过并/串变换得到原始数据。其中，通过混沌系统产生的密钥生成掩蔽向量和加密序列，掩蔽向量在动态概率映射模块中进行映射加密处理，加密序列在魔方加密模块进行加密。
本发明采用新型五维纠缠混沌系统，纠缠混沌动力学方程如公式(1)：
Figure BDA0004087068590000051
其中，x，y，z，w，u为状态变量，a，b，c，d，e，h为系统参数，当a＝2，b＝3，c＝0.5，e＝10，h＝3时，该纠缠混沌系统存在混沌行为，混沌吸引子如图2所示。
其中，通过对比不同维度的混沌序列吸引子图，可以看出该纠缠混沌系统的各个维度均互不干扰，故每组混沌序列都可以单独作为密钥进行加密处理。
动态概率星座映射模块将三路输入信号映射到三维星座图进行映射加密处理，同时进行浮动概率整形。在这个模块中，本发明提出动态概率整形方案，在三维星座结构映射的前提下，改变了星座点的概率分布，降低高幅度值信号出现的概率，增加低幅度值信号出现的概率，提高了星座点的利用率，可以有效降低平均功率，在相同发射功率下降低了系统误码率。本发明采用三维星座结构进行数据映射，如图3所示，由两个正立方体组成，其中16个星座点分布在这两个正方体的顶点。相邻星座点之间的最小欧氏距离为2。
首先从上述五维纠缠混沌模型的五组混沌序列X、Y、Z、W、U中提取两组混沌序列X，Y，如公式(2)所示，为了提高密钥的随机性，本发明对序列分别乘以103，乘以其他数依然可以达到同样的效果，然后对序列进行取余以及取整处理，得到掩蔽向量，其中，定义X1，X2为处理后的两组掩蔽向量：
Figure BDA0004087068590000052
其中，mod表示取余操作，floor表示取整处理。
第一步，将掩蔽向量X1作用于外层立方体顶点的8个星座点，当掩蔽向量X1为0时，原星座点的数据保持不变；当掩蔽向量X1为1时，将外层星座点的数据转移到内层相邻星座点进行调制，用于实现动态概率整形；
第二步，将掩蔽向量X2作用于所有星座点，当掩蔽向量X2为0时，原星座点的数据保持不变；当掩蔽向量X2不为0时，将星座点的数据转移至同层相邻星座点进行调制，用于实现置乱效果，提高该模块的安全性。
魔方加密模块对三路整形信号进行魔方加密。通常所说的魔方，即指三阶魔方，为3×3×3的立方体结构。阶数是指魔方主体部分两个相邻旋转面所共有的块数，比如三阶魔方每个边有3个小块，三阶魔方通过旋转总共有4.3×1019种变化。以此类推，随着魔方阶数增加变化数呈现爆炸式增长，正n(n≥2)阶魔方变化数如公式(3)、公式(4)所示：
奇数阶：
Figure BDA0004087068590000061
偶数阶：
Figure BDA0004087068590000062
其中，n是魔方阶数，k取1～+∞，N是魔方总变化数，N随n的取值变化而变化，如表1所示。
表1不同阶数的魔方变化数举例
Figure BDA0004087068590000063
由表1可以看出，随着魔方阶数的增加，阶数N呈指数级增加。因此本发明针对魔方的高复杂度的特性，提出一种魔方加密方案。首先本发明需计算所构建的魔方阶数，其中，信号总数随不同的传输信号变化而变化，将待传输的三路整形信号的信号总数进行开立方运算并且进位取整得到魔方阶数n。然后将传输的二进制数堆砌成n×n×n的三维立方阵模型。然后从上述混沌模型的五组混沌序列X、Y、Z、W、U中提取出序列Z，W，U，如公式(5)，对每组序列乘以103增加密钥的随机性，然后对序列Z、W、U进行取余以及取整处理，得到加密序列，其中，定义Y1，Y2，Y3为处理后的加密序列：
Figure BDA0004087068590000064
魔方加密方案具体的过程分为三步。首先选择转动的平面，其次确定转动的层数，最后确定转动的角度。在这里，以n＝4的四阶魔方作为演示，演示了不同密钥下的加密方式，如图4所示。
第一步：当加密序列Y1为1时，选择XOY平面进行转动；当加密序列Y1为2时，选择XOZ平面进行转动；当加密序列Y1为3时，选择YOZ平面进行转动；
第二步：当加密序列Y2为1～n时，即确定第一步平面方向上的第1～n层；
第三步：当加密序列Y3为1时，将该层顺时针转动90°；当加密序列Y3为2时，将该层顺时针转动180°；当加密序列Y3为3时，将该层顺时针转动270°；当加密序列Y3为4时，将该层顺时针转动360°。
需要特别注意的一点是，每一次转动都以前一次转动为基础进行操作。具体示例如图5所示。
接收端接收数据传输信号并进行逆向变换获得所述原始数据，包括：将数据传输信号进行CAP解调，获得三路加密信号；对三路加密信号进行魔方解密，获得三路整形数据；对三路整形数据进行反向概率整形及反向映射，获得三路输入信号；将三路输入信号进行串/并变换，获得原始数据。
本发明采用高斯白噪声信道作为模拟传输信道，测试了不同光功率下的动态概率整形与魔方加密信号、魔方加密信号以及对照组信号的误码率比较，结果如图6所示。由图可知，基于动态概率整形的误码率性能明显优于其他两组，说明动态概率整形可以大幅提高系统的传输性能。而非法接收端信号的误码率一直维持在-0.3左右，说明整个系统具有出色的安全性。
实施例二：
基于实施例一所述的一种基于概率整形与魔方加密的CAP数据传输方法，本实施例提供一种基于概率整形与魔方加密的CAP数据传输系统。
发送端包括：
串/并变换模块，用于发送端对原始数据进行串/并变换，获得三路输入信号；
动态概率星座映射模块，用于将三路输入信号映射到三维星座图进行映射加密处理，同时进行概率整形，获得三路整形信号；
魔方加密模块，用于对三路整形信号进行魔方加密，获得三路加密信号；
CAP调制模块，用于对三路加密信号进行CAP调制，并合并为一路数据传输信号，用于接收端接收所述数据传输信号并进行逆向变换获得所述原始数据。
接收端包括：
CAP解调模块，用于将数据传输信号进行CAP解调，获得三路加密信号；
魔方解密模块，用于对三路加密信号进行魔方解密，获得三路整形数据；
反向动态概率星座映射模块，用于对三路整形数据进行反向概率整形及反向映射，获得三路输入信号；
反向串/并变换模块，用于将三路输入信号进行串/并变换，获得原始数据。
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 (7)

1.一种数据传输方法，其特征在于，包括：
发送端对原始数据进行串/并变换，获得三路输入信号；
将三路输入信号映射到三维星座图进行映射加密处理，同时进行概率整形，获得三路整形信号；
对三路整形信号进行魔方加密，获得三路加密信号；
对三路加密信号进行CAP调制，并合并为一路数据传输信号，用于接收端接收所述数据传输信号并进行逆向变换获得所述原始数据。
2.根据权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于，将三路输入信号映射到三维星座图进行映射加密处理，同时进行浮动概率整形，包括：
采用由两个正立方体组成的三维星座结构进行数据映射，从五维纠缠混沌模型的五组混沌序列X、Y、Z、W、U中提取两组混沌序列X，Y，对混沌序列X，Y进行取余以及取整处理，得到掩蔽向量，其中，定义X1，X2为处理后的两组掩蔽向量：
Figure FDA0004087068580000011
其中，mod表示取余操作，floor表示取整处理；
将掩蔽向量X1作用于外层立方体顶点的8个星座点，当掩蔽向量X1为0时，原星座点的数据保持不变；当掩蔽向量X1为1时，将外层星座点的数据转移到内层相邻星座点进行调制，用于实现动态概率整形；
将掩蔽向量X2作用于所有星座点，当掩蔽向量X2为0时，原星座点的数据保持不变；当掩蔽向量X2不为0时，将星座点的数据转移至同层相邻星座点进行调制，用于实现置乱效果。
3.根据权利要求2所述的数据传输方法，其特征在于，五维纠缠混沌模型的动力学方程为：
Figure FDA0004087068580000021
其中，x，y，z，w，u为状态变量，a，b，c，d，e，h为系统参数。
4.根据权利要求3所述的数据传输方法，其特征在于，对三路整形信号进行魔方加密，包括：
信号总数随不同的传输信号变化而变化，将待传输的三路整形信号的信号总数进行开立方运算并且进位取整得到魔方阶数n；然后将传输的二进制数堆砌成n×n×n的三维立方阵模型；然后从五维纠缠混沌模型的五组混沌序列X、Y、Z、W、U中提取出序列Z、W、U，对混沌序列Z、W、U进行取余以及取整处理，得到加密序列，其中，定义Y1，Y2，Y3为处理后的加密序列：
Figure FDA0004087068580000022
/>
第一步：当加密序列Y1为1时，选择XOY平面进行转动；当加密序列Y1为2时，选择XOZ平面进行转动；当加密序列Y1为3时，选择YOZ平面进行转动；
第二步：当加密序列Y2为1～n时，即确定第一步平面方向上的第1～n层；
第三步：当加密序列Y3为1时，将该层顺时针转动90°；当加密序列Y3为2时，将该层顺时针转动180°；当加密序列Y3为3时，将该层顺时针转动270°；当加密序列Y3为4时，将该层顺时针转动360°。
5.根据权利要求4所述的数据传输方法，其特征在于，接收端接收所述数据传输信号并进行逆向变换获得所述原始数据，包括：
将数据传输信号进行CAP解调，获得三路加密信号；
对三路加密信号进行魔方解密，获得三路整形数据；
对三路整形数据进行反向概率整形及反向映射，获得三路输入信号；
将三路输入信号进行串/并变换，获得原始数据。
6.一种数据传输系统，其特征在于，包括：
串/并变换模块，用于发送端对原始数据进行串/并变换，获得三路输入信号；
动态概率星座映射模块，用于将三路输入信号映射到三维星座图进行映射加密处理，同时进行概率整形，获得三路整形信号；
魔方加密模块，用于对三路整形信号进行魔方加密，获得三路加密信号；
CAP调制模块，用于对三路加密信号进行CAP调制，并合并为一路数据传输信号，用于接收端接收所述数据传输信号并进行逆向变换获得所述原始数据。
7.根据权利要求6所述的数据传输系统，其特征在于，接收端包括：
CAP解调模块，用于将数据传输信号进行CAP解调，获得三路加密信号；
魔方解密模块，用于对三路加密信号进行魔方解密，获得三路整形数据；
反向动态概率星座映射模块，用于对三路整形数据进行反向概率整形及反向映射，获得三路输入信号；
反向串/并变换模块，用于将三路输入信号进行串/并变换，获得原始数据。
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