CN116318694A - 基于功分复用四维区域联合加密的信息传输方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于功分复用四维区域联合加密的信息传输方法及系统。所述方法包括：在发送端，对功率分配占比最高的一路输入数据进行比特循环加密，再进行星座映射和星座图扰动加密；对其他路输入数据进行比特循环加密和星座映射；进行功分复用叠加并其星座图进行区域联合星座扰动加密；进行调制和发送；在接收端，对接收信号进行星座混沌解扰后，用串行干扰消除策略消除多路信号之间的多址干扰，并进行解密、解映射、解调，恢复出原始数据流；其中加解密的密钥通过两层级联的混沌系统生成。本发明在有效提高频谱效率的同时实现了信息的高安全传输。
Description
技术领域
本发明涉及加密通信技术领域，更具体的说，涉及一种基于功分复用四维区域联合加密的信息传输方法及系统。
背景技术
云操作、虚拟现实、增强现实、智能设备、智能交通、远程医疗、远程控制等各种应用层出不穷，这使得网络带宽的增长需求日益增加。为提高网络容量和频谱效率，研究者们在波长、频率、偏振等各个维度进行复用。最近，基于功率域复用的非正交多址（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）技术作为一个新的复用维度被引入到光通信系统中，该技术通过不同的功率区分用户，发送端按给定的功率分配原则给每个用户分配不同的发射功率，接收端根据接收信号的强弱不同，利用串行干扰消除（Successive InterferenceCancellation，SIC）接收机依次恢复出各个用户的信号信息。因此，在不增加可用资源的情况下，采用功率复用技术可以在给定频率和时间段内服务更多用户，有效提高频谱效率。但是在接收端，低功率用户在实现SIC提取相应信号时，首先需要对高功率用户的信号进行解码，这容易导致高功率用户的信息泄露风险，如何有效地保证基于功分复用的光信息安全传输是一个重要问题。
由于光纤通信网络的结构特点，可以人为通过简单的方法，如光纤弯曲引起的微光信号泄漏等，就很容易截获光纤线路中泄漏的光信号。另外，随着互联网的快速发展，大量的私人数据在互联网上传输时可能会被泄露，因此在现实的信息传输中，人们对其隐私性与安全性也越来越重视。目前的用于解决光通信系统的安全性问题的方法有很多种，但效果并不理想，其中上层加密存在缺陷，无法实现全数据保护；光学编码技术受编码空间的限制，难以抵御穷尽攻击；量子密钥分配在理论上可以保证任何窃听行为都能被检测到，但仍然面临着在实时无源光网络中集成的挑战。因此，存在对光通信安全传输技术的进一步改进的需要。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种基于功分复用四维区域联合加密的信息传输方法及系统，在有效提高频谱效率的同时实现信息的高安全传输。
技术方案：第一方面，一种基于功分复用四维区域联合加密的信息传输方法，所述方法包括：
在发送端，利用第一类扰动因子对功率分配占比最高的一路输入数据进行比特循环加密，对比特循环加密后的数据进行星座映射并利用第二类扰动因子对其星座图进行旋转扰动加密；
利用第一类扰动因子对其他路输入数据进行比特循环加密，对比特循环加密后的数据进行星座映射；
按照指定的功率分配策略，将经过星座图旋转扰动加密的功率分配占比最高的一路输入数据和经过星座映射的其他路输入数据叠加为一路数据，并利用第二类扰动因子对叠加后的数据的星座图进行区域联合星座扰动加密；
对经过区域联合星座扰动加密的数据进行调制和发送；
在接收端，利用第二类扰动因子对接收信号进行星座混沌解扰后，用串行干扰消除策略消除多路信号之间的多址干扰，并对分解出的各路信号以与发送端相反的处理方式进行解密、解映射、解调，恢复出原始数据流；
其中，所述第一类扰动因子和所述第二类扰动因子由两层级联的混沌系统生成，且一级混沌系统的输出为二级混沌系统提供初始值，其中一级混沌系统生成包括两个混沌序列（x，y）的第一类扰动因子，二级混沌系统生成包括两个混沌序列（z，w）的第二类扰动因子。
进一步的，一级混沌系统的表达式为：
二级混沌系统的表达式为：
其中，a、b、c、d、e、f是控制参数，（x,y,z,w）为混沌系统生成的混沌序列，代表系统的状态向量，初始值记为（x0,y0,z0,w0），基于给定的x0、y0，z0=1+kπ，w0=1+pπ，
，/>
。
进一步的，利用第一类扰动因子对输入数据进行比特循环加密包括：以混沌序列x或y对输入数据进行比特循环加密，以s代表混沌序列x或y，加密过程包括：
将混沌序列s进行二进制转换，取二进制表示中的末尾比特构成伪随机序列
，v为该序列的长度，再由/>
生成两个伪随机序列Mi、Ni，表示如下：
T是0到v之间的某个整数，当两个伪随机序列Mi和Ni确定后，对一路输入数据的比特循环加密过程表示为：
其中，Ai表示待加密的一路数据中第i个数据，Ei为加密后的数据，
为异或符号，循环比特移动运算表达式为/>
，h是循环的比特长度。
进一步的，利用第二类扰动因子对星座图进行旋转扰动加密包括：利用混沌序列z对星座图进行旋转扰动加密，处理过程如下：
其中，C为未加密的星座坐标，C’为加密的星座坐标，floor()表示向下取整，j表示复数的表现形式。
进一步的，利用第二类扰动因子对叠加后的数据的星座图进行区域联合星座扰动加密包括：由混沌序列w确定一个伪加密点，寻找离该伪加密点最近的一个星座点，基于该星座点坐标确定其所在的角度，将叠加后的星座点按这个角度进行掩蔽。
进一步的，确定伪加密点包括：对混沌序列w进行预处理：
，其中wi表示混沌序列w中的第i个数，利用混沌序列/>
生成伪加密星座点/>
；
记星座点的位置为L(I,Q)，伪加密星座点与星座点之间的距离d表示为：
，最短距离为dL：/>
，基于距离最短的星座点的坐标(IL,QL)确定掩蔽星座角度为：/>
，加扰后星座点的位置L'为：
。
进一步的，对比特循环加密后的数据进行星座映射包括：对比特循环加密后的数据进行QAM映射。
本发明还提供一种基于功分复用四维区域联合加密的信息传输系统，包括发送端、扰动因子生成模块、接收端，其中扰动因子生成模块由两层级联的混沌系统组成，且一级混沌系统的输出为二级混沌系统提供初始值，其中一级混沌系统生成包括两个混沌序列（x，y）的第一类扰动因子，二级混沌系统生成包括两个混沌序列（z，w）的第二类扰动因子；
所述发送端包括：
比特循环加密模块，用于利用第一类扰动因子对各路输入数据进行比特循环加密；
星座映射及扰动模块，用于对比特循环加密后的功率分配占比最高的一路数据进行星座映射并利用第二类扰动因子对其星座图进行旋转扰动加密；
星座映射模块，用于对比特循环加密后的其他路数据进行星座映射；
功分复用叠加模块，用于按照指定的功率分配策略，将经过星座图旋转扰动加密的功率分配占比最高的一路输入数据和经过星座映射的其他路输入数据叠加为一路数据；
星座混乱加扰模块，用于利用第二类扰动因子对叠加后的数据的星座图进行区域联合星座扰动加密；
调制及发送模块，用于对经过区域联合星座扰动加密的数据进行调制和发送；
所述接收端包括：
接收及解调模块，用于接收信号并进行解调；
星座混乱解扰模块，用于利用第二类扰动因子对接收信号进行星座混沌解扰；
连续干扰消除模块，用于利用串行干扰消除策略消除多路信号之间的多址干扰；
星座解扰解映射模块，用于利用第二类扰动因子对功率分配占比最高的一路数据的星座图进行旋转扰动解密；
星座解映射模块，用于对其他路数据进行星座解映射；
比特循环解密模块，用于利用第一类扰动因子对各路数据进行比特循环解密。
本发明还提供一种计算机设备，包括：一个或多个处理器；存储器；以及一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述程序被处理器执行时实现如上所述的基于功分复用四维区域联合加密的信息传输方法的步骤。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的基于功分复用四维区域联合加密的信息传输方法的步骤。
有益效果：本发明通过利用功分复用技术与四维区域联合加密方法相结合实现信息的高安全传输。采用两层级联混沌系统生成扰动因子，用于比特循环和星座加扰，实现四维区域联合加密，有效增加密钥空间，提升物理层安全。此外，将该加密算法应用在功分复用传输系统中，实现提升网络容量和频谱效率，并且提高高功率比用户的信息安全，有效抵御攻击。因此，本发明所提方案在提高网络容量和频谱效率的同时，可保证传输信息的安全性，在增强安全性和提高性能两方面均有应用前景。
附图说明
图1为根据本发明实施例的基于功分复用四维区域联合加密的高安全信息传输方法流程图；
图2为根据本发明实施例的两层级联混沌系统的相图；
图3为根据本发明实施例的两路功分复用信号产生的原理图；
图4为根据本发明实施例中星座图的叠加示意图；
图5为根据本发明实施例的星座旋转扰动加密前后的星座图；
图6为根据本发明实施例的区域联合星座扰动加密前后的星座图；
图7为根据本发明实施例的接收端信号恢复原理图；
图8为根据本发明实施例的串行干扰消除的示意图；
图9为根据本发明实施例的基于功分复用四维区域联合加密的信号传输系统结构框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
本发明提出一种基于功分复用四维区域联合加密的信息传输方法，在发送端采用功分复用技术实现多路信号同时传输，有效提升网络容量和频率效率，并基于功分复用场景下各路信号功率高低的不同，采用由两级混沌系统生成的两类扰动因子进行相应的比特循环和星座加扰，实现四维区域联合加密，有效增加密钥空间并保证传输效率。在接收端采用串行干扰消除策略完成信号之间的多址干扰，并进行相应的解密处理。本发明在物理层上实现混沌加密，保证高功率比用户的信息安全，可有效抵御攻击。
根据本发明的实施方式，在发送端，利用第一类扰动因子对功率分配占比最高的一路输入数据进行比特循环加密，对比特循环加密后的数据进行星座映射并利用第二类扰动因子对其星座图进行旋转扰动加密；利用第一类扰动因子对其他路输入数据进行比特循环加密，对比特循环加密后的数据进行星座映射；按照指定的功率分配策略，将经过星座图旋转扰动加密的功率分配占比最高的一路输入数据和经过星座映射的其他路输入数据叠加为一路数据，并利用第二类扰动因子对叠加后的数据的星座图进行区域联合星座扰动加密；对经过区域联合星座扰动加密的数据进行调制和发送；
在接收端，利用第二类扰动因子对接收信号进行星座混沌解扰后，用串行干扰消除策略消除多路信号之间的多址干扰，并对分解出的各路信号以与发送端相反的处理方式进行解密、解映射、解调，恢复出原始数据流；
其中，第一类扰动因子和第二类扰动因子由两层级联的混沌系统生成，且一级混沌系统的输出为二级混沌系统提供初始值，其中一级混沌系统生成包括两个混沌序列（x，y）的第一类扰动因子，二级混沌系统生成包括两个混沌序列（z，w）的第二类扰动因子。
图1示出了根据本发明实施例的基于功分复用四维区域联合加密的高安全信息传输方法流程图。在本发明实施例中，以典型的两路信号为例阐述本方法的具体流程。但是应当理解，本方法不限于两路叠加的情形，而是适用于多路（两路及以上）叠加的应用。其区别之处在于，发送端从多路输入数据中确定功率分配比最高的一路数据，按照一种指定策略进行处理，对其他路数据按照另一种策略进行处理，然后进行叠加，接收端相应地区分处理。本发明中，发送端也称为发射端。参照图1，以两路信号为例，其中B路通道分配的功率高于A路通道被分配的功率，首先A路输入数据进行比特循环后完成QAM映射扰动，B路输入数据直接进行QAM映射，然后将两路数据进行功分复用叠加成一路信息，对叠加后的信号再次进行星座混乱加扰完成最终加密，最后通过正交频分复用（OFDM）调制，将加密信号输入至光传输信道。其中混沌加密系统同时产生四个混沌序列，由此产生扰动因子，分别用于比特循环、QAM映射扰动和星座混乱扰动。具有正确密钥的接收者可以对加密信号中的信息进行解密，并使用与加密端相反的计算方法获得原始数据。
本发明采用两层级联混沌系统生成4个混沌序列，一级混沌系统的输出为二级混沌系统提供初始值。一级混沌系统的表达式如式（1）所示，二级混沌系统的表达式如式（2）所示。
其中，a、b、c、d、e、f是控制参数，n为序列个数，abs()为绝对值函数。一级混沌系统生成混沌序列（x,y），二级混沌系统生成混沌序列（z,w），本发明中，将混沌序列（x,y）称为第一类扰动因子，混沌序列（z,w）称为第二类扰动因子。（x,y,z,w）为混沌系统生成的混沌序列，代表系统的状态向量。本发明实施例中，将控制参数a、b、c、d、e和f取值分别设为1.315、1、1、3.1、2、1，初始值（x0,y0,z0,w0）设定为（0.001,0.001,1+kπ,1+pπ），其中，
，/>
。此时系统属于混沌状态。也就是说，给定任意状态（x0,y0,z0,w0）的初始值，由公式（1）及公式（2）演化而生成的4个序列是随机的非周期序列。本发明实施例所采用的两层级联混沌映射在不同相位平面的相位图如图2所示，其中（A）为一级混沌系统的相图，（B）为二级混沌系统的相图，可以看出二级混沌加密系统的混沌序列是在不同相轨中动态变化的，这是因为其输入的初始值为一级混沌加密系统的输出序列。另外，由图2可以看出，相位图都表现出一个随机的不可预测的轨迹，进一步验证了该系统具有较高的随机性、不确定性和高安全性能的混沌性，可以有效地提高系统复杂度，促进系统由局部小混沌向全局混沌转化。
以两路输入信号为例，其中B路采用QPSK信号，A路采用了一种变体8QAM（V-8QAM），对应QPSK的四个不同象限，有四种不同的星座模式，其星座图在四个象限中具有对称性，如图4中PA的情况1至情况4所示。与传统矩形8QAM相比较，V-8QAM星座图性能（CFM）更好，具有更好的抗噪声性能。CFM可表示为：
其中C表示给定的星座。
表示最小欧氏距离，/>
表示星座的平均功率。
发射端的信号产生原理图如图3所示，设SA(t)和SB(t)分别表示A路信号和B路信号。发射端信号S(t)可以表示为：
其中P A 和P B 分别为分配给A路信号和B路信号的功率，总功率P=P A +P B ，A路信息和B路信息之间的功率分配比（PDR）为R=P A /P B 。两路信号功分复用的示意图如图4所示，两组功率叠加后的星座图将形成一个32QAM。
为保证传输信息的安全性，本发明采用比特循环、星座旋转扰动和区域联合星座扰动方式实现四维区域联合加密。密钥由两层级联混沌映射的初始状态（x0,y0,z0,w0）及控制参数(a,b,c,d, e, f)构成。用混沌序列（x, y）实现比特循环加密。本发明实施例中，用序列x对A路数据加密，用序列y对B路数据加密，但应理解这只是示例而不是限制，存在其他应用方式，例如，两路都用序列x加密或都用序列y加密，或者序列y对A路加密，序列x对B路加密。值得注意的是（x, y）不能直接用于比特循环加密。以A路为例，首先将x进行二进制转换，取二进制表示中的末尾比特作为伪随机序列
，再由/>
进一步生成两个伪随机序列Mi，Ni，其表示如下：
i表示第i个序列，T是0到v之间的某个整数，T决定了Mi的个数。当两个伪随机序列Mi和Ni确定后，A路加密过程表示为：
混沌序列y用于B路加密方式相同操作。本发明采用两个伪随机序列对原始数据进行加密，增大了破解的难度，同时采用循环的方式可以尽可能地让每个比特进行加密。
本发明实施例中采用两层级联混沌模型产生的混沌序列对数据进行加密，其中混沌序列z完成星座旋转扰动加密，混沌序列w完成区域联合星座扰动加密。应当理解，这种应用不是对本发明的限制，存在其他应用方式，例如，星座旋转扰动加密和区域联合星座扰动加密都用混沌序列z或者都用混沌序列w来完成，或者用混沌序列z完成区域联合星座扰动加密，用混沌序列w完成星座旋转扰动加密。本发明的实施例中，利用混沌序列z对A路V-8QAM进行星座扰动加密，值得一提的是，混沌序列z不可直接进行加密，混沌序列z的加密过程的具体处理如下：
其中C为未加密的星座坐标，C’为加密的星座坐标。floor()表示向下取整。j表示复数的表现形式。星座旋转扰动加密前后星座图如图5所示，V-8QAM的星座映射在掩码星座后不清晰可见。如果没有正确的钥匙，很难恢复星座点。
本发明实施例中，采用混沌序列w对功分复用后的星座图进行区域联合星座扰动加密，由混沌序列首先确定一个伪加密点，然后寻找一个离该伪加密点最近的一个点，该点所在的角度就是想要的掩蔽角度，将叠加的某个星座点按这个角度进行掩蔽。具体操作如下：首先对混沌序列w进行预处理：
wi表示混沌序列w中的第i个数，利用
混沌序列生成伪加密星座点/>
，假设星座点的位置为L(I,Q)，伪加密星座点点与星座点间距离为d，其中最短距离为dL：
掩蔽星座角度为：
加扰后星座点的位置L'为：
区域联合星座扰动加密前后星座图如图6所示，在信号叠加之后的星座图的星座点不能随意的角度转动，即不能加密成圆环的形式。因为这里掩蔽星座的角度是经过精心设计的。本发明中所述的区域联合加密是在该角度中体现的，不再和以往的旋转星座点加密相似。其本质是对四个象限的星座点进行置换加密，四个象限进行联合置换加密。利用星座点的位置及角度，实现在彼此的象限中进行位置交换达到区域内的星座扰动。
接收端信号恢复原理如图7所示。在接收端，通过利用SIC解调功分复用。SIC的基本原理是采用逐级消除干扰策略，其示意图如图8所示，在接收信号中对多个用户逐个进行数据判决，判决出一个用户就同时减去该用户信号造成的多址干扰。按照信号功率大小的顺序来进行操作，逐步减去最大信号功率用户的干扰，直至消除所有的多址干扰为止。在本发明中，由于B路信号被分配的功率大于A通道信号，B通道信号可以直接解码接收到QPSK星座信号。参照图7，首先进行信道估计，得到信道响应H1，然后对信号进行均衡处理、解密、解调操作，最后进行比特循环解密，即可得到原始信号数据B。A通道信号为小功率信号，因此在为B通道信号解码之后，从接收到的信号中减去B通道信号，即得到A通道信号。因此，首先完成数据B的再调制，即在接收端首次解密后得到的信号被重新调制并乘以信道响应H1。然后从接收器上的信号中减去新的调制信号，得到低功率级用户信号数据A。最后经过信道估计、信道均衡、解密、解调后进行比特循环解密恢复原始信号数据A。接收端的解密、解调处理为发射端对应的逆处理过程。
本发明还提供一种基于功分复用四维区域联合加密的信息传输系统，包括发送端、扰动因子生成模块、接收端，其中扰动因子生成模块由两层级联的混沌系统组成，且一级混沌系统的输出为二级混沌系统提供初始值，其中一级混沌系统生成包括两个混沌序列（x，y）的第一类扰动因子，二级混沌系统生成包括两个混沌序列（z，w）的第二类扰动因子；
所述发送端包括：
比特循环加密模块，用于利用第一类扰动因子对各路输入数据进行比特循环加密；
星座映射及扰动模块，用于对比特循环加密后的功率分配占比最高的一路数据进行星座映射并利用第二类扰动因子对其星座图进行旋转扰动加密；
星座映射模块，用于对比特循环加密后的其他路数据进行星座映射；
功分复用叠加模块，用于按照指定的功率分配策略，将经过星座图旋转扰动加密的功率分配占比最高的一路输入数据和经过星座映射的其他路输入数据叠加为一路数据；
星座混乱加扰模块，用于利用第二类扰动因子对叠加后的数据的星座图进行区域联合星座扰动加密；
调制及发送模块，用于对经过区域联合星座扰动加密的数据进行调制和发送；
所述接收端包括：
接收及解调模块，用于接收信号并进行解调；
星座混乱解扰模块，用于利用第二类扰动因子对接收信号进行星座混沌解扰；
连续干扰消除模块，用于利用串行干扰消除策略消除多路信号之间的多址干扰；
星座解扰解映射模块，用于利用第二类扰动因子对功率分配占比最高的一路数据的星座图进行旋转扰动解密；
星座解映射模块，用于对其他路数据进行星座解映射；
比特循环解密模块，用于利用第一类扰动因子对各路数据进行比特循环解密。
本发明的实施例中，基于功分复用四维区域联合加密的信息传输系统如图9所示。仍然以两路信号为例，在发射端，A路比特数据进行比特循环加密，然后将串行的二进制数据通过串并变换转换成并行二进制数据，对其进行星座映射及扰动完成A路数据的加密。B路数据进行串并变化后进行星座映射。将两路数据实现功分复用叠加操作得到一路数据，再对其进行星座混沌加扰，完成发射端的加密操作。将加密信号通过升余弦滤波器进行脉冲整形，再经过数模转换器将调制映射后的数据流转换为模拟信号，通过调制器将模拟电信号调制成模拟光信号，经过光纤链路将信号传送到接收端。在接收端，光信号通过光电探测器转变为电信号，经过滤波解调以及相应的星座混沌解扰、SIC、星座解密、比特循环解密等过程获得原始的比特数据流。其中匹配滤波器用于滤除波形噪声，提高系统信噪比。
本发明还提供一种计算机设备，包括：一个或多个处理器；存储器；以及一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述程序被处理器执行时实现如上所述的功分复用四维区域联合加密的信息传输方法的步骤。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的功分复用四维区域联合加密的信息传输方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、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。
Claims (10)
1.一种基于功分复用四维区域联合加密的信息传输方法，其特征在于，所述方法包括：
在发送端，利用第一类扰动因子对功率分配占比最高的一路输入数据进行比特循环加密，对比特循环加密后的数据进行星座映射并利用第二类扰动因子对其星座图进行旋转扰动加密；
利用第一类扰动因子对其他路输入数据进行比特循环加密，对比特循环加密后的数据进行星座映射；
按照指定的功率分配策略，将经过星座图旋转扰动加密的功率分配占比最高的一路输入数据和经过星座映射的其他路输入数据叠加为一路数据，并利用第二类扰动因子对叠加后的数据的星座图进行区域联合星座扰动加密；
对经过区域联合星座扰动加密的数据进行调制和发送；
在接收端，利用第二类扰动因子对接收信号进行星座混沌解扰后，用串行干扰消除策略消除多路信号之间的多址干扰，并对分解出的各路信号以与发送端相反的处理方式进行解密、解映射、解调，恢复出原始数据流；
其中，所述第一类扰动因子和所述第二类扰动因子由两层级联的混沌系统生成，且一级混沌系统的输出为二级混沌系统提供初始值，其中一级混沌系统生成包括两个混沌序列（x，y）的第一类扰动因子，二级混沌系统生成包括两个混沌序列（z，w）的第二类扰动因子。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，一级混沌系统的表达式为：
二级混沌系统的表达式为：
其中，a、b、c、d、e、f是控制参数，（x,y,z,w）为混沌系统生成的混沌序列，代表系统的状态向量，初始值记为（x0,y0,z0,w0），基于给定的x0、y0，z0=1+kπ，w0=1+pπ，
，
。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用第一类扰动因子对输入数据进行比特循环加密包括：以混沌序列x或y对输入数据进行比特循环加密，以s代表混沌序列x或y，加密过程包括：
将混沌序列s进行二进制转换，取二进制表示中的末尾比特构成伪随机序列
，v为该序列的长度，再由/>
生成两个伪随机序列Mi、Ni，表示如下：
T是0到v之间的某个整数，当两个伪随机序列Mi和Ni确定后，对一路输入数据的比特循环加密过程表示为：
其中，Ai表示待加密的一路数据中第i个数据，Ei为加密后的数据，
为异或符号，循环比特移动运算表达式为/>
，h是循环的比特长度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用第二类扰动因子对星座图进行旋转扰动加密包括：利用混沌序列z对星座图进行旋转扰动加密，处理过程如下：
其中，C为未加密的星座坐标，C’为加密的星座坐标，floor()表示向下取整，j表示复数的表现形式。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用第二类扰动因子对叠加后的数据的星座图进行区域联合星座扰动加密包括：由混沌序列w确定一个伪加密点，寻找离该伪加密点最近的一个星座点，基于该星座点坐标确定其所在的角度，将叠加后的星座点按这个角度进行掩蔽。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，确定伪加密点包括：对混沌序列w进行预处理：
，其中wi表示混沌序列w中的第i个数，利用混沌序列/>
生成伪加密星座点/>
；
记星座点的位置为L(I,Q)，伪加密星座点与星座点之间的距离d表示为：
，最短距离为dL：/>
，基于距离最短的星座点的坐标(IL,QL)确定掩蔽星座角度为：/>
，加扰后星座点的位置L'为：
。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对比特循环加密后的数据进行星座映射包括：对比特循环加密后的数据进行QAM映射。
8.一种基于功分复用四维区域联合加密的信息传输系统，其特征在于，包括发送端、扰动因子生成模块、接收端，其中扰动因子生成模块由两层级联的混沌系统组成，且一级混沌系统的输出为二级混沌系统提供初始值，其中一级混沌系统生成包括两个混沌序列（x，y）的第一类扰动因子，二级混沌系统生成包括两个混沌序列（z，w）的第二类扰动因子；
所述发送端包括：
比特循环加密模块，用于利用第一类扰动因子对各路输入数据进行比特循环加密；
星座映射及扰动模块，用于对比特循环加密后的功率分配占比最高的一路数据进行星座映射并利用第二类扰动因子对其星座图进行旋转扰动加密；
星座映射模块，用于对比特循环加密后的其他路数据进行星座映射；
功分复用叠加模块，用于按照指定的功率分配策略，将经过星座图旋转扰动加密的功率分配占比最高的一路输入数据和经过星座映射的其他路输入数据叠加为一路数据；
星座混乱加扰模块，用于利用第二类扰动因子对叠加后的数据的星座图进行区域联合星座扰动加密；
调制及发送模块，用于对经过区域联合星座扰动加密的数据进行调制和发送；
所述接收端包括：
接收及解调模块，用于接收信号并进行解调；
星座混乱解扰模块，用于利用第二类扰动因子对接收信号进行星座混沌解扰；
连续干扰消除模块，用于利用串行干扰消除策略消除多路信号之间的多址干扰；
星座解扰解映射模块，用于利用第二类扰动因子对功率分配占比最高的一路数据的星座图进行旋转扰动解密；
星座解映射模块，用于对其他路数据进行星座解映射；
比特循环解密模块，用于利用第一类扰动因子对各路数据进行比特循环解密。
9.一种计算机设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储器；以及
一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的基于功分复用四维区域联合加密的信息传输方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的基于功分复用四维区域联合加密的信息传输方法的步骤。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117082502A (zh) * | 2023-10-17 | 2023-11-17 | 南京华飞数据技术有限公司 | 一种基于数据信息加密方法的数据采集、信号识别方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103746804A (zh) * | 2014-01-17 | 2014-04-23 | 哈尔滨工业大学 | 基于多参数分数傅里叶变换和星座图加扰的保密通信方法 |
| CN111934848A (zh) * | 2020-09-08 | 2020-11-13 | 南京信息工程大学 | 一种智能优化四维混沌矢量加密正交传输方法 |
| CN112600663A (zh) * | 2021-01-05 | 2021-04-02 | 电子科技大学 | 一种重构混沌序列多层加密方法 |
| CN112671529A (zh) * | 2021-03-15 | 2021-04-16 | 南京信息工程大学 | 一种基于星座扰动的少模p比特高安全传输方法 |
| CN114257368A (zh) * | 2022-02-28 | 2022-03-29 | 南京信息工程大学 | 基于浮动概率和冒泡排序加密的ofdm传输方法、装置 |
| CN116032454A (zh) * | 2022-12-16 | 2023-04-28 | 东南大学 | 一种基于动态星座旋转的物理层加密方法及系统 |
-
2023
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103746804A (zh) * | 2014-01-17 | 2014-04-23 | 哈尔滨工业大学 | 基于多参数分数傅里叶变换和星座图加扰的保密通信方法 |
| CN111934848A (zh) * | 2020-09-08 | 2020-11-13 | 南京信息工程大学 | 一种智能优化四维混沌矢量加密正交传输方法 |
| CN112600663A (zh) * | 2021-01-05 | 2021-04-02 | 电子科技大学 | 一种重构混沌序列多层加密方法 |
| CN112671529A (zh) * | 2021-03-15 | 2021-04-16 | 南京信息工程大学 | 一种基于星座扰动的少模p比特高安全传输方法 |
| CN114257368A (zh) * | 2022-02-28 | 2022-03-29 | 南京信息工程大学 | 基于浮动概率和冒泡排序加密的ofdm传输方法、装置 |
| CN116032454A (zh) * | 2022-12-16 | 2023-04-28 | 东南大学 | 一种基于动态星座旋转的物理层加密方法及系统 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| XIAOZHONG ZHANG等: "A Secure OFDM Transmission Scheme Based on Chaos Mapping", 2015 IEEE 34TH INTERNATIONAL PERFORMANCE COMPUTING AND COMMUNICATIONS CONFERENCE (IPCCC), pages 1 - 6 * |
| 李明烨: "基于智能迭代扰动的高安全光通信系统研究", 中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117082502A (zh) * | 2023-10-17 | 2023-11-17 | 南京华飞数据技术有限公司 | 一种基于数据信息加密方法的数据采集、信号识别方法 |
| CN117082502B (zh) * | 2023-10-17 | 2023-12-19 | 南京华飞数据技术有限公司 | 一种基于数据信息加密方法的数据采集、信号识别方法 |
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