一種基于數(shù)字混沌的光dft-s-ofdm安全傳輸系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于數(shù)字混沌的光DFT?S?OFDM安全傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)共包含三個(gè)加密步驟，即OFDM同步訓(xùn)練序列的插入、DFT矩陣信號(hào)預(yù)處理和子載波映射，其中OFDM同步訓(xùn)練序列和子載波映射方式均由混沌系統(tǒng)產(chǎn)生，DFT矩陣元參數(shù)m，n由混沌系統(tǒng)生成，利用數(shù)字混沌的初值敏感性和偽隨機(jī)性，對(duì)DFT?S?OFDM信號(hào)進(jìn)行加密處理，實(shí)現(xiàn)保密傳輸。由于該安全系統(tǒng)密鑰空間巨大，可有效地增強(qiáng)高速信息傳輸?shù)陌踩?。同時(shí)由于DFT矩陣可以顯著地降低OFDM信號(hào)的峰值平均功率比(PAPR)，該傳輸系統(tǒng)的性能也得到了提升。另一方面，由于DFT矩陣處理信號(hào)過(guò)程中不需要多次迭代優(yōu)化和多個(gè)離散傅里葉變換操作，整個(gè)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)構(gòu)架簡(jiǎn)單、計(jì)算量小且收發(fā)機(jī)成本低，而且不需要傳輸邊帶信息。
【專利說(shuō)明】
一種基于數(shù)字混沌的光DFT-S-OFDM安全傳輸系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及光通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于數(shù)字混沌的光離散傅里葉變換擴(kuò) 展正交頻分復(fù)用的安全傳輸系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著信息通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的依賴越來(lái)越大，隨著互聯(lián)網(wǎng)的持 續(xù)快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)電視、3D視頻、容災(zāi)備份、云計(jì)算等大流量、多需求的寬帶業(yè)務(wù)層出不窮， 帶寬需求呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，并呈現(xiàn)每3年一個(gè)數(shù)量級(jí)的遞增趨勢(shì)。因此，為了進(jìn)一步滿足高 帶寬業(yè)務(wù)發(fā)展的要求，光通信技術(shù)得到迅猛發(fā)展，目前絕大部分信息都要通過(guò)光纖傳輸。而 光信號(hào)被竊聽事件時(shí)有發(fā)生，上世紀(jì)90年代中葉，美國(guó)國(guó)家安全局首次成功地進(jìn)行了竊聽 海底光纜的實(shí)驗(yàn)。從此，光纖通信就變得不再安全。因此光通信安全問題日益突出，如何使 得光信號(hào)更加安全地傳輸，具有保衛(wèi)國(guó)家安全、維護(hù)領(lǐng)土與主權(quán)完整的重大意義。
[0003] 0FDM由于其較高頻譜利用率和較低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，得到了廣泛發(fā)展與應(yīng)用。從 2005年0FDM技術(shù)從電域引入到光域，因?yàn)槠淞己玫牡挚股壬⒑推衲Ｉ⒛芰?，?0FDM技術(shù)成為下一代高速光通信技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。
[0004] DFT矩陣被廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理領(lǐng)域，尤其在LTE技術(shù)中，使用DFT矩陣對(duì)其進(jìn)行信 號(hào)預(yù)處理，可以有效地降低系統(tǒng)的PAPR，使得信號(hào)傳輸性能得到極大的改善。
[0005] 目前保密光通信技術(shù)中比較熱門的有光碼分多址(0CDMA)技術(shù)、量子保密通信技 術(shù)和混沌保密通信技術(shù)。
[0006] 光碼分多址系統(tǒng)是由電碼分多址系統(tǒng)演變而來(lái)的，0CDMA是將不同用戶的信號(hào)用 互成正交的碼序列來(lái)進(jìn)行光學(xué)編碼，因?yàn)?CDMA系統(tǒng)中是采用每個(gè)用戶分配唯一的地址碼。 在解調(diào)的過(guò)程中，利用光解碼器對(duì)收到的擴(kuò)頻碼序列與本地地址碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，然后進(jìn) 行解擴(kuò)處理，并通過(guò)特定閾值判決技術(shù)恢復(fù)源信號(hào)，傳送給數(shù)據(jù)接收器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)恢復(fù)。因 此，如果沒有特定的解碼器，在地址碼未知的情況下，要想從光信號(hào)中提取信息是不可能 的。
[0007] 量子保密通信被證明是絕對(duì)安全的。它是建立在海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理的基礎(chǔ)上，在 不知道量子狀態(tài)時(shí)對(duì)量子進(jìn)行復(fù)制是不可能的，復(fù)制之前要對(duì)量子進(jìn)行測(cè)量，每一次測(cè)量 都會(huì)改變光子極化態(tài)，即竊取下來(lái)的信息內(nèi)容已經(jīng)發(fā)生變化，不可能獲取有效的傳輸信息。
[0008] 目前量子保密通信發(fā)展迅速，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)在量子通信領(lǐng)域達(dá)到 了國(guó)際領(lǐng)先水平，2012年初，由潘建偉院士牽頭的"合肥城域量子通信試驗(yàn)示范網(wǎng)"正式開 通，這是國(guó)際上首個(gè)規(guī)?；某怯蛄孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，標(biāo)志著量子通信大規(guī)模組網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成 熟。由于潘建偉院士在量子通信領(lǐng)域的巨大成就，他獲得了 2015年度國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。 量子通信也有其固有的不足與缺陷，量子密鑰傳輸距離比較短，量子密碼在傳送距離上仍 未能滿足實(shí)際光纖通信的要求。
[0009] 混沌保密通信目前主要包括混沌掩蓋技術(shù)，混沌參數(shù)調(diào)制技術(shù)以及混沌鍵控技 術(shù)。因?yàn)閿?shù)字混沌系統(tǒng)以其良好的偽隨機(jī)性、相關(guān)性、初值敏感性等安全加密特性，在保密 通信方面極具實(shí)用價(jià)值。同時(shí)由于光OFDM的產(chǎn)生需要在電域大量地采用數(shù)字信號(hào)處理 (DSP)，以靈活調(diào)配信號(hào)的子載波和時(shí)間間隔，光OFDM便于與數(shù)字混沌安全技術(shù)天然相結(jié) 合。與光電混沌相比，數(shù)字混沌具有易于實(shí)現(xiàn)、密鑰空間大等優(yōu)點(diǎn)?；跀?shù)字混沌的信息加 密技術(shù)近年來(lái)得到了蓬勃的發(fā)展。
[0010] 經(jīng)對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，2010年，Μ · Hossen和K · -D · Kim等人在International Conference on Advanced Communications Technology(國(guó)際先進(jìn)通信技術(shù)會(huì)議）上發(fā)表 了題目為 "Synchronized latency secured MAC protocol for PON based large sensor network，"（基于大型傳感器網(wǎng)絡(luò)的PON中同步MAC控制信息的潛在安全性問題）的文章。在 文章中，作者指出，目前大部分的加密方案都是在MAC層甚至更高層進(jìn)行，這樣只加密了數(shù) 據(jù)本身，而忽略了頭信息和控制信息，使得頭信息和控制信息很容易被竊聽，進(jìn)而導(dǎo)致極大 的信息安全漏洞。因此，在物理層加密中，可以對(duì)所有信息(包括數(shù)據(jù)、頭信息、控制信息等） 進(jìn)行加密，使得安全性進(jìn)一步增強(qiáng)。
[0011] 又對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，2014年北京郵電大學(xué)的Bo Liu等在《IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS》中發(fā)表了題為"Physical Layer Security in 0FDM-P0N Based on Dimension-Transformed Chaotic Permutation"（基于混純維度置換的0FDM-P0N物理層安 全）的文章。作者在該文獻(xiàn)中，提出了采用數(shù)字混沌對(duì)OFDM幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)域和頻域維度置 換，同時(shí)作者進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證了此方案可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行安全傳輸，同時(shí)得到了巨大的 密鑰空間。但是在加密的同時(shí)，信號(hào)的傳輸性能沒有得到改善，在某些特定情況下甚至?xí)?差，而且加密過(guò)程繁瑣，硬件成本較高因此，其加密方案也存在缺陷。
[0012] 2014年，湖南大學(xué)的Fan Li等人在Optics Express(光學(xué)快報(bào)）上發(fā)表了題為 "Demonstration of DFT-spread 256QAM-0FDM signal transmission with cost-effective directly modulated laser"（基于廉價(jià)的直調(diào)激光器的DFT擴(kuò)頻的256QAM-OFDM信號(hào)傳輸），在文章中，作者成功地進(jìn)行了速率為11.85-Gbit/s的DFT擴(kuò)頻OFDM信號(hào)的 20km標(biāo)準(zhǔn)單模光纖傳輸實(shí)驗(yàn)，并且采用了基于符號(hào)內(nèi)頻域平均（ISFA)的信道估計(jì)算法，使 得信號(hào)傳輸性能得到顯著提升，當(dāng)接受光功率為_6dBm時(shí)，誤碼率得到了顯著改善，由原始 的6 · 4 X 10-3 改善至6 · 8 X 10一4。
[0013]因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種基于數(shù)字混沌的光DFT-S-0FDM安全傳輸 系統(tǒng)，解決現(xiàn)有加密過(guò)程復(fù)雜、計(jì)算量大、硬件成本高、密鑰空間小、需邊帶信息等缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明所述技術(shù)方案所要解決的技術(shù)問題是如何在加密 完成后不犧牲信號(hào)的可傳輸性。
[0015] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于數(shù)字混沌的光DFT-S-0FDM安全傳輸系 統(tǒng)，包括離線數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)和加密系統(tǒng)，所述加密系統(tǒng)包括基于四維數(shù)字超混沌模塊 實(shí)現(xiàn)的0FDM同步訓(xùn)練序列加密、DFT矩陣信號(hào)預(yù)處理加密和子載波映射加密;所述離線數(shù)字 信號(hào)處理系統(tǒng)包括串并轉(zhuǎn)換模塊、正交幅度調(diào)制映射模塊、補(bǔ)零模塊、IFFT模塊和加入循環(huán) 前綴模塊。
[0016] 進(jìn)一步地，所述串并轉(zhuǎn)換模塊被配置為將高速串行數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成Μ路并行的低 速子數(shù)據(jù)流或子信號(hào)。在串行通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)符號(hào)連續(xù)串行傳輸，每個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)占用所有 可用頻帶。在并行通信系統(tǒng)中，由于整個(gè)信道帶寬被分割成多個(gè)窄帶子頻帶，單個(gè)數(shù)據(jù)只占 用整個(gè)頻帶的一部分。
[0017] 進(jìn)一步地，所述正交幅度調(diào)制映射模塊被配置為把輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流調(diào)制成為 QPSK、16QAM或64QAM信號(hào)中的一種。以16QAM為例，"1010"序列可以調(diào)制成3+i，進(jìn)而使得原 來(lái)的串行單一數(shù)據(jù)變成了一個(gè)復(fù)數(shù)。這樣可以使得數(shù)據(jù)可以進(jìn)行FFT變換，另一方面，使得 數(shù)據(jù)引入了冗余度，可以達(dá)到降低誤碼率的目的。
[0018] 進(jìn)一步地，所述四維數(shù)字超混沌模塊被配置為產(chǎn)生四個(gè)混沌序列，分別用于0FDM 訓(xùn)練序列加密、DFT矩陣信號(hào)處理加密和子載波映射加密。高維超混沌一方面可以為多重加 密提供所需的偽隨機(jī)序列，另一方面也可以大大增加了混沌的密鑰空間，從而使得整個(gè)系 統(tǒng)安全性大大增強(qiáng)。
[0019] 進(jìn)一步地，通過(guò)由混沌加密系統(tǒng)得到的訓(xùn)練序列得到準(zhǔn)確符號(hào)同步。加密系統(tǒng)中 訓(xùn)練序列的作用是為了得到準(zhǔn)確符號(hào)同步，假如通過(guò)數(shù)字混沌使得訓(xùn)練序列不為竊聽者所 知，竊聽者就無(wú)法進(jìn)行精確的符號(hào)同步，因此無(wú)法對(duì)信號(hào)進(jìn)行正確的解調(diào)。
[0020] 進(jìn)一步地，所述DFT矩陣信號(hào)預(yù)處理加密中的DFT信號(hào)處理器被配置為降低0FDM信 號(hào)的峰均比，改善0FDM信號(hào)的傳輸性能;并通過(guò)所述混沌序列使得DFT矩陣在信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò) 程中處于不斷加密更新的狀態(tài)。
[0021] 進(jìn)一步地，所述子載波映射加密被配置為通過(guò)所述混沌序列使得映射方式不斷更 新變化，并使得子載波可能的排列狀態(tài)數(shù)達(dá)到M!，進(jìn)而可以使得密鑰空間和狀態(tài)數(shù)變得巨 大，大大增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性。
[0022]進(jìn)一步地，所述補(bǔ)零模塊被配置為在加密完成之后，對(duì)子載波映射之后的0FDM符 號(hào)進(jìn)行補(bǔ)零操作，使得0FDM的符號(hào)長(zhǎng)度達(dá)到N，再進(jìn)行N點(diǎn)IFFT操作。
[0023] 進(jìn)一步地，所述串并轉(zhuǎn)換模塊被配置為將進(jìn)行N點(diǎn)IFFT操作之后的并行信號(hào)變成 串行信號(hào)輸出。
[0024] 進(jìn)一步地，所述加入循環(huán)前綴模塊被配置為消除符號(hào)間串?dāng)_。
[0025] 本發(fā)明的目的是提供一種利用數(shù)字混沌序列在物理層加密、加密過(guò)程簡(jiǎn)單、計(jì)算 量小、硬件成本低、密鑰空間大、無(wú)需邊帶信息，同時(shí)改善信號(hào)傳輸性能的一種光0FDM安全 傳輸系統(tǒng)。加密過(guò)程主要分為三個(gè)步驟，同步訓(xùn)練序列加密、DFT預(yù)處理加密和子載波置換 加密，同時(shí)引進(jìn)一個(gè)四維超混沌，產(chǎn)生四組偽隨機(jī)混沌序列，分別作用于以上三個(gè)加密過(guò) 程。
[0026] 四維超混沌有極高的初值敏感性和自相關(guān)性，經(jīng)驗(yàn)證，當(dāng)初值僅僅改變10-15，混沌 序列就會(huì)進(jìn)入完全不同的狀態(tài)，所以以混沌初值作為密鑰，密鑰空間非?？捎^，可以達(dá)到 106()( 1015 X 1015 X 1015 X 1015)，可以大大增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性。
[0027] 利用混沌序列較好的自相關(guān)性可以將使用混沌序列對(duì)訓(xùn)練序列進(jìn)行處理，將混沌 嵌入訓(xùn)練序列里，一方面可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密保護(hù)，當(dāng)竊聽者無(wú)法獲得準(zhǔn)確的訓(xùn)練序列時(shí)， 就無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確的符號(hào)定位，從而無(wú)法完成對(duì)信號(hào)的正確解調(diào)，得不到正確的星座圖。另一 方面，使用經(jīng)由混沌序列處理過(guò)的訓(xùn)練序列，由于混沌序列良好的自相關(guān)性，可以準(zhǔn)確無(wú)誤 地完成符號(hào)同步。
[0028] DFT矩陣被廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理，目前在LTE上行鏈路傳輸廣泛使用的SC-FDMA多 址技術(shù)中，利用DFT矩陣對(duì)0FDM信號(hào)進(jìn)行處理，可以有效降低信號(hào)的PAPR，如此以來(lái)，可以降 低對(duì)終端功放的要求，提高功率的利用率。一般傳統(tǒng)意義上的DFT矩陣表達(dá)式為：
[0029]
，其中，0 彡α，β彡M-1，
[0030] F為ΜΧΜ矩陣α，β分別為DFT矩陣的行列角標(biāo)，F(xiàn)為ΜΧΜ矩陣。
[0031]假設(shè)第k個(gè)0FDM符號(hào)為，4 Τ表示矩陣轉(zhuǎn)置運(yùn)算，經(jīng)由DFT矩陣 處理過(guò)的符號(hào)，)4#)彳1,"，,心『=約》)的自相關(guān)性會(huì)變得更好，而符號(hào)序列的？4?1?是 與序列的自相關(guān)性密切相關(guān)的，所以可以降低信號(hào)的PAPR值。在本發(fā)明中，我們利用混沌的 兩維序列對(duì)DFT矩陣進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的DFT矩陣表達(dá)式為：
[0032]
實(shí)中，0<α，β<Μ-1，
[0033] m，η為從混沌系統(tǒng)的兩維抽取的實(shí)常數(shù)。
[0034]如此以來(lái)改進(jìn)后的DFT矩陣Ρ處于不斷更新變化之中，可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效加密。 更進(jìn)一步的，改進(jìn)后的DFT矩陣保留了初始DFT矩陣的基本數(shù)學(xué)特性，比如，改進(jìn)后的DFT矩 陣的逆矩陣等于其共輒矩陣，改進(jìn)后的DFT矩陣的各行各列的元素是公比為θ ι2π/Μ的等比數(shù) 列。所以改進(jìn)后的動(dòng)態(tài)DFT矩陣依然可以使得被處理的信號(hào)序列的自相關(guān)性變好，從而降低 信號(hào)的PAPR，改善系統(tǒng)的傳輸性能。如圖2和圖3所示，DFT矩陣對(duì)于無(wú)論QPSK、16QAM還是 64QAM調(diào)制格式信號(hào)，都可以降低其PAPR。
[0035]第三個(gè)加密步驟是子載波映射過(guò)程中利用混沌序列對(duì)子載波進(jìn)行置換。在此加密 過(guò)程中，首先利用混沌的產(chǎn)生一個(gè)混沌數(shù)組，共包含Μ個(gè)數(shù)字。然后對(duì)Μ個(gè)數(shù)字從小到大依次 排序產(chǎn)生一個(gè)新的數(shù)組。依據(jù)混沌數(shù)組排序前后的數(shù)字對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)0FDM符號(hào)上的Μ個(gè)數(shù)據(jù) 信號(hào)進(jìn)行同樣的置換。此置換過(guò)程簡(jiǎn)單有效，可以大大降低運(yùn)算量，同時(shí)可以產(chǎn)生Μ!的巨大 的狀態(tài)空間，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)安全性。
[0036] 加密過(guò)程之后要對(duì)0FDM符號(hào)進(jìn)行補(bǔ)零操作，使得0FDM符號(hào)長(zhǎng)度為Ν，然后進(jìn)行IFFT 變換。
[0037]優(yōu)選地，在離線數(shù)字信號(hào)處理模塊中，依據(jù)不同的傳輸要求，我們可以將二進(jìn)制數(shù) 據(jù)調(diào)制成為正交相移鍵控(QPSK)、16正交幅度調(diào)制（16QAM)、64正交幅度調(diào)制(64QAM)形式。 [0038] 優(yōu)選地，在做IFFT變換操作時(shí)，N可以取64、256、512、1024。相應(yīng)的1要小于1根據(jù) 實(shí)際情況，Μ可取為3/5*N到4/5*N之間范圍。
[0039] 優(yōu)選地，在插入循環(huán)前綴時(shí)，為了避免過(guò)大的帶寬代價(jià)和能量損失，一般認(rèn)為循環(huán) 前綴長(zhǎng)度必須小于0FDM符號(hào)長(zhǎng)度的1/4。
[0040] 優(yōu)選地，必須選取合適混沌參數(shù)，使得四維混沌系統(tǒng)處于有效的混沌狀態(tài)，同時(shí)混 沌的初始迭代次數(shù)也要足夠大，以保證能夠獲得初值敏感、類隨機(jī)性好的混沌序列。
[0041 ]優(yōu)選地，在進(jìn)行DFT矩陣加密過(guò)程中，由于DFT矩陣元素的周期性，參數(shù)m，η必要時(shí) 可以限定在-Μ到Μ之間。
[0042]優(yōu)選地，在進(jìn)行子載波置換加密過(guò)程中，產(chǎn)生一個(gè)混沌數(shù)組的過(guò)程可以采取每間 隔100個(gè)混沌值挑選出一個(gè)作為混沌數(shù)組的一個(gè)元素，這樣可以使得整個(gè)混沌數(shù)組元素更 具隨機(jī)性。
[0043]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:本發(fā)明所提出的DFT-S-0FDM加密 系統(tǒng)采用一個(gè)四維超混沌，具有巨大的密鑰空間。同時(shí)，利用基于混沌改進(jìn)的DFT矩陣對(duì)信 號(hào)進(jìn)行處理，一方面可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效加密，另一方面可以有效克服傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)中 PAPR高的難題，有效地改善了信號(hào)傳輸質(zhì)量，使得信號(hào)誤碼率性能大幅度提升。更進(jìn)一步 地，與一般的降低PAPR的方法，比如概率類技術(shù)或者信號(hào)預(yù)畸變技術(shù)，此方案具有計(jì)算量 小，硬件實(shí)現(xiàn)成本低，信號(hào)無(wú)畸變、不需要邊帶信息等諸多優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，利用混沌對(duì)子載波映 射進(jìn)行加密的方案，可以得到巨大的狀態(tài)空間和密鑰空間，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的安全性能，并 且置換算法簡(jiǎn)單有效。由于LTE技術(shù)上行鏈路的DFT預(yù)處理技術(shù)可以有效地移植到光通信技 術(shù)中，所以，此加密方案應(yīng)用范圍廣泛，前景良好，可操作性強(qiáng)。
[0044]以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說(shuō)明，以 充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。
【附圖說(shuō)明】
[0045]通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：
[0046]圖1為根據(jù)本發(fā)明提供的傳輸性能好、密鑰空間大、計(jì)算量小、低成本的基于數(shù)字 混沌的DFT-S-0FDM安全傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0047]圖2為使用改進(jìn)后DFT矩陣對(duì)信號(hào)序列處理前后自相關(guān)函數(shù)示意圖；
[0048]圖3為使用改進(jìn)后DFT矩陣對(duì)信號(hào)序列處理前后PAPR改善情況示意圖；
[0049]圖4為DFT-S-0FDM加密信號(hào)20km標(biāo)準(zhǔn)單模光纖安全傳輸實(shí)驗(yàn)裝置圖；
[0050]圖5為使用DFT-S-0FDM方案加密信號(hào)前后誤碼率示意圖；
[0051 ]圖6為解調(diào)時(shí)參數(shù)m的偏移量與誤碼率的關(guān)系示意圖；
[0052]圖7為解調(diào)時(shí)參數(shù)η的偏移量與誤碼率的關(guān)系示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0053]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
[0054]本發(fā)明充分利用數(shù)字混沌系統(tǒng)初值敏感性、類隨機(jī)性以及自相關(guān)性，通過(guò)訓(xùn)練序 列的符號(hào)同步、DFT矩陣的信號(hào)預(yù)處理、子載波映射方式三重步驟，獲得了巨大的密鑰空間。 具體地，如圖1所示，我們采用16QAM調(diào)制器，Μ取為768，Ν為1024,即發(fā)送端的子載波數(shù)設(shè)為 768, IFFT長(zhǎng)度為1024。我們使用一個(gè)四維超混沌產(chǎn)生四維混沌序列，其中一維用于訓(xùn)練序 列插入，兩維用于DFT矩陣信號(hào)預(yù)處理，另外一維用于子載波置換。我們對(duì)0FDM信號(hào)進(jìn)行加 密傳輸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該加密系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了高安全性，而且由于DFT矩陣對(duì)信號(hào)的預(yù)處理 作用，傳輸性能也得到了顯著改善，同時(shí)子載波映射加密步驟極大地增加了狀態(tài)空間，增強(qiáng) 了破解的難度，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)安全性。而且加密過(guò)程簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，無(wú)需邊帶信息，硬 件實(shí)現(xiàn)難度小。
[0055]如圖4所示，我們進(jìn)行基于數(shù)字混沌DFT-S-0FDM安全傳輸實(shí)驗(yàn)。原始偽隨機(jī)二進(jìn)制 比特流數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換和16QAM調(diào)制后加載到其中的384個(gè)子載波上，每個(gè)0FDM符號(hào)均符 合Hermitian對(duì)稱形式，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)。因此其中384個(gè)子載波真正用來(lái)發(fā)送 數(shù)據(jù)，384個(gè)子載波與其形成鏡像共輒對(duì)稱，最后一個(gè)子載波為直流分量。此外，還要對(duì)傳輸 信號(hào)插入混沌同步訓(xùn)練序列，以及用于信道估計(jì)的導(dǎo)頻，并在每個(gè)OFDM符號(hào)前插入1/8符號(hào) 長(zhǎng)度的循環(huán)前綴以對(duì)抗信道衰弱和延遲。以上發(fā)送端的信號(hào)處理均在Matlab中離線完成， 發(fā)送端將處理好的數(shù)據(jù)流導(dǎo)入任意波形發(fā)生器(Arbitrary Waveform Generator，AWG)產(chǎn) 生基帶OFDM電信號(hào)，任意波形發(fā)生器的采樣率設(shè)置為lOGS/s，數(shù)模轉(zhuǎn)換分辨率設(shè)置為 8bits。產(chǎn)生基帶OFDM電信號(hào)首先通過(guò)RF放大，然后由馬赫曾德調(diào)制器(Mach-Zehnder Modulator，MZM)將基帶電信號(hào)調(diào)制到光載波上，連續(xù)光由工作在1550nm的分布式反饋 (Distributed feedback，DFB)產(chǎn)生。最后將調(diào)制得到的OFDM光信號(hào)接入20km的單模光纖中 傳輸至接收端。
[0056]接收端用一個(gè)PIN光電二極管將接收得到的0FDM光信號(hào)轉(zhuǎn)換為基帶電信號(hào)。然后 將電信號(hào)送入示波器，以20GS/s兩倍于發(fā)送端的采樣率進(jìn)行采樣，示波器的AD采樣分辨率 為8位。最后將接收得到的數(shù)據(jù)通過(guò)Matlab軟件進(jìn)行同步和解調(diào)。
[0057]如圖5所示，在進(jìn)行解調(diào)過(guò)程中，對(duì)于非法用戶，當(dāng)密鑰僅僅相差10-15時(shí)，得到的星 座圖就完全被打亂。對(duì)于合法的接收方，信號(hào)則可以正確解調(diào)。從圖中還可以看出，由于經(jīng) DFT矩陣預(yù)處理的信號(hào)PAPR大幅度下降，所以，與沒有經(jīng)過(guò)DFT處理過(guò)的原始0FDM信號(hào)相比， 在BER= 10_3處，DFT-S-0FDM信號(hào)的接收光強(qiáng)度降低了大約2dBm。以上結(jié)果有力地證明了該 安全傳輸系統(tǒng)的高安全性，同時(shí)可以顯著改善系統(tǒng)的傳輸性能。
[0058]我們接下來(lái)驗(yàn)證DFT矩陣加密的有效性。如圖6所示，在解調(diào)過(guò)程中，當(dāng)所用DFT矩 陣參數(shù)m與正確的m值有偏差時(shí)，得到的星座圖隨之質(zhì)量變差，誤碼率急劇上升，即不能竊聽 獲得數(shù)據(jù)。當(dāng)A m大于0.01時(shí)，誤碼率就大于10-3，即使利用前向糾錯(cuò)技術(shù)也無(wú)法正確恢復(fù)數(shù) 據(jù)。所以△ m的敏感度可以達(dá)到0.01。隨著△ m的逐漸變大，星座圖也隨著做有規(guī)律的整體偏 移。如圖7所示，在解調(diào)過(guò)程中，當(dāng)所用DFT矩陣參數(shù)η與正確的η值不完全匹配時(shí)，也不可能 得到正確的星座圖。隨著A η逐漸變大，星座圖也隨著做有規(guī)律的整體旋轉(zhuǎn)，誤碼率急劇上 升。當(dāng)偏移量超過(guò)〇. 01時(shí)，誤碼率就高于1〇_3，完全不可能無(wú)法正確恢復(fù)數(shù)據(jù)。所以A η的敏 感度也可以達(dá)到0.01。
[0059] 所以縱觀整個(gè)加密系統(tǒng)，由于密鑰的初值敏感度可以達(dá)到1 0-15，而我們使用了一 個(gè)四維混沌，所謂總的密鑰空間可以達(dá)到1 〇6()。同時(shí)由于DFT矩陣中參數(shù)m，η的敏感度可以達(dá) 到0.01，Μ=768,又根據(jù)DFT矩陣中元素的周期性，所以DFT矩陣加密過(guò)程中的狀態(tài)空間可達(dá) 6 X 109(76800 X 76800)。在子載波置換這個(gè)加密步驟中，我們又可以得到數(shù)量為768!的巨 大的狀態(tài)空間，從而可以進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性。
[0060] 在本實(shí)施例中，采用基于數(shù)字混沌的DFT矩陣預(yù)處理技術(shù)和子載波置換加密技術(shù)， 具有以下的優(yōu)點(diǎn)：
[0061] 1)由于光0FDM系統(tǒng)具有靈活可變的子載波和時(shí)間間隔，而且需要大量的數(shù)字信號(hào) 處理過(guò)程，所以數(shù)字混沌可以在電域DSP中簡(jiǎn)單地加以應(yīng)用，更有利于光0FDM系統(tǒng)與數(shù)字混 純相結(jié)合。
[0062] 2)該體系結(jié)構(gòu)采用四維超混沌，可提供巨大的密鑰空間，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性。
[0063] 3)該體系結(jié)構(gòu)采取基于數(shù)字混沌的DFT矩陣預(yù)處理技術(shù)，一方面，方案可以加密 0FDM信號(hào)，提供巨大的狀態(tài)空間，提高系統(tǒng)的安全性。另一方面，DFT預(yù)處理技術(shù)可以顯著降 低信號(hào)的PAPR，降低信號(hào)誤碼率，改善信號(hào)傳輸性能。同時(shí)，使用DFT矩陣預(yù)處理技術(shù)降低 PAPR，還具有計(jì)算量小、易于實(shí)現(xiàn)、無(wú)需邊帶信息等優(yōu)點(diǎn)。
[0064] 4)該安全傳輸方案通過(guò)產(chǎn)生一維混沌數(shù)組，按照一定的規(guī)則排序，然后對(duì)應(yīng)地對(duì) 0FDM上的子載波進(jìn)行置換，此置換過(guò)程簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，同時(shí)可以提供768!的巨大的狀態(tài)空 間。
[0065] 以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)無(wú)需創(chuàng) 造性勞動(dòng)就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員 依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過(guò)邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù) 方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于數(shù)字混沌的光DFT-S-OFDM安全傳輸系統(tǒng)，其特征在于，包括離線數(shù)字信號(hào) 處理系統(tǒng)和加密系統(tǒng)，所述加密系統(tǒng)包括基于四維數(shù)字超混沌模塊實(shí)現(xiàn)的OFDM同步訓(xùn)練序 列加密、DFT矩陣信號(hào)預(yù)處理加密和子載波映射加密;所述離線數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)包括串并 轉(zhuǎn)換t旲塊、正交幅度調(diào)制映射t旲塊、補(bǔ)零t旲塊、I FFT^塊和加入循環(huán)如綴_旲塊。2. 如權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字混沌的光DFT-S-OFDM安全傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述 串并轉(zhuǎn)換模塊被配置為將高速串行數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成M路并行的低速子數(shù)據(jù)流或子信號(hào)。3. 如權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字混沌的光DFT-S-OFDM安全傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述 正交幅度調(diào)制映射模塊被配置為把輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流調(diào)制成為QPSK、16QAM或64QAM信號(hào) 中的一種。4. 如權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字混沌的光DFT-S-OFDM安全傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述 四維數(shù)字超混沌模塊被配置為產(chǎn)生四個(gè)混沌序列，分別用于OFDM訓(xùn)練序列加密、DFT矩陣信 號(hào)處理加密和子載波映射加密。5. 如權(quán)利要求4所述的基于數(shù)字混沌的光DFT-S-OFDM安全傳輸系統(tǒng)，其特征在于，通過(guò) 由混沌加密系統(tǒng)得到的訓(xùn)練序列得到準(zhǔn)確符號(hào)同步。6. 如權(quán)利要求4所述的基于數(shù)字混沌的光DFT-S-OFDM安全傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述 DFT矩陣信號(hào)預(yù)處理加密中的DFT信號(hào)處理器被配置為降低OFDM信號(hào)的峰均比，改善OFDM信 號(hào)的傳輸性能;并通過(guò)所述混沌序列使得DFT矩陣在信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程中處于不斷加密更新 的狀態(tài)。7. 如權(quán)利要求4所述的基于數(shù)字混沌的光DFT-S-OFDM安全傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述 子載波映射加密被配置為通過(guò)所述混沌序列使得映射方式不斷更新變化，并使得子載波可 能的排列狀態(tài)數(shù)達(dá)到M !。8. 如權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字混沌的光DFT-S-OFDM安全傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述 補(bǔ)零模塊被配置為在加密完成之后，對(duì)子載波映射之后的OFDM符號(hào)進(jìn)行補(bǔ)零操作，使得 OFDM的符號(hào)長(zhǎng)度達(dá)到N，再進(jìn)行N點(diǎn)IFFT操作。9. 如權(quán)利要求8所述的基于數(shù)字混沌的光DFT-S-OFDM安全傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述 串并轉(zhuǎn)換模塊被配置為將進(jìn)行N點(diǎn)IFFT操作之后的并行信號(hào)變成串行信號(hào)輸出。10. 如權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字混沌的光DFT-S-OFDM安全傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所 述加入循環(huán)前綴模塊被配置為消除符號(hào)間串?dāng)_。
【文檔編號(hào)】H04L9/00GK105933103SQ201610278613
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年4月28日
【發(fā)明人】申贊偉, 楊學(xué)林, 胡衛(wèi)生
【申請(qǐng)人】上海交通大學(xué)