基于保守数字混沌的三维Arnold变换的OFDM-PON物理层加密方法技术

本发明专利技术公开了基于保守数字混沌的三维Arnold变换的OFDM

【技术实现步骤摘要】
基于保守数字混沌的三维Arnold变换的OFDM-PON物理层加密方法


[0001]本专利技术涉及光通信加密
，尤其涉及基于保守数字混沌的三维Arnold变换的OFDM-PON物理层加密方法。

技术介绍

[0002]随着信息化社会的快速发展，各类信息传输量的增大对传统的接入网提出了挑战。正交频分复用无源光网络(OFDM-PON)技术具有提高频谱利用率、抗光纤色散以及动态资源分配等优势，因此成为下一代光接入网系统的研究热点。由于无源光网络(PON)结构的广播特性，下行数据极易被非法用户窃取。此外，OFDM信号具有过高的峰值平均功率比(PAPR)，使其在OFDM-PON系统传输时产生非线性失真，影响系统的传输性能。
[0003]混沌序列具有高度的初值敏感性和伪随机性等特征，使其与保密通信存在着天然的联系，为了有效地联合处理OFDM-PON系统中OFDM信号的PAPR过高以及PON系统的加密问题，国内外主要研究人员提出的许多安全加密和降低PAPR的方案，其中包括有混沌选择映射法(CSLM)，混沌部分传输序列法(CPTS)以及混沌预留子载波法(CTR)等。然而，现有的这些方案都是基于耗散型的数字混沌序列。而耗散混沌系统由其自身动力学特性会形成混沌吸引子。因而，窃密者可以利用一段连续混沌序列，通过基于神经网络的机器学习算法进行混沌系统的相空间重构，这在一定程度上降低基于数字耗散混沌序列的加密系统的保密性。
[0004]与此同时，在数字混沌序列的产生过程中，由于软件计算精度的问题，混沌系统中的复杂度与理想状态下的性能差异巨大等问题使得混沌系统产生“数字退化”现象。而“数字退化”会导致混沌系统出现短周期、非遍历性、以及混沌序列之间的强相关性等缺点。针对“数字退化”，国内外研究人员提出相应解决方案，例如扰动混沌状态、扰动混沌控制参数、级联多个混沌映射和随机切换多个混沌映射等方案。而现有的方案相对较为复杂，不能被直接用于成本较为敏感的OFDM-PON的物理层加密系统。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对现有技术的缺陷，提供了基于保守数字混沌的三维Arnold变换的OFDM-PON物理层加密方法。
[0006]为了实现以上目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]基于保守数字混沌的三维Arnold变换的OFDM-PON物理层加密方法，包括步骤：
[0008]S1.在发射端利用保守数字混沌系统的初始值产生混沌序列，将产生的混沌序列加入扰动，并拓展为若干组混沌序列，将若干组混沌序列进行主成分分析算法PCA处理，选取第一主成分的混沌序列；
[0009]S2.将选取的第一主成分的混沌序列控制三维Arnold变换的参数，对OFDM信号进行第一层加密；
[0010]S3.通过Frank序列随机抽取产生混沌Frank矩阵，对OFDM信号进行第二层加密，将进行二次加密的信号经过电光调制器转换为光信号，并将光信号通过光纤信道传输至接收端；
[0011]S4.在接收端经过光电探测器将光信号转换为电信号，并利用密钥对加密的电信号进行解密，输出原始数据。
[0012]进一步的，其特征在于，所述步骤S1中保守数字混沌系统的序列表达式为：
[0013][0014]其中，dx,dy,dz分别表示对x，y，z进行微分；c表示控制参数；
[0015]利用保守数字混沌系统的序列表达式生成三组混沌序列值，分别为：{x
n
}、{y
n
}、{z
n
}。
[0016]进一步的，所述步骤S1中将若干组混沌序列进行主成分分析算法PCA处理，选取第一主成分的混沌序列，具体为：
[0017]选取一维的混沌序列的不同时间延迟来构建d维的混沌相空间，生成的序列空间保持保守混沌特性，混沌序列扩展表达式为：
[0018]y(i)＝(x(i),
…
,x(i+(d-1)τ))
[0019]其中，x(i)表示一维的混沌序列；i表示混沌序列的序号；τ表示混沌序列的延迟；d表示混沌序列的扩展的维数。
[0020]进一步的，其特征在于，所述步骤S2中三维Arnold变换，表示为：
[0021][0022]其中，(x
n
,y
n
,z
n
)表示数据坐标的位置，(x
n+1
,y
n+1
,z
n+1
)表示经过三维Arnold变换后的坐标索引；N表示OFDM信号的子载波数量；a,b,c,d分别表示Arnold变换的控制变量；Arnold变换作为一种保面积变换，保证Arnold变换矩阵的模等于1，d＝ab(a+1)+ac-a
2-abc-1。
[0023]进一步的，其特征在于，所述步骤S2中对OFDM信号进行第一层加密是通过三维Arnold变换将OFDM信号中各个位置的点进行重新排列而进行加密的。
[0024]进一步的，其特征在于，所述步骤S3中Frank序列，表示为：
[0025]f(nM+k+1)＝e
j2πk/M
[0026]其中，f(nM+k+1)表示长度为N的Frank序列；N＝M2，n,k＝{1,2,
…
,M-1}；M表示输入序列的长度；n,k分别表示控制变量；
[0027]得到Frank序列f＝{f1,f2…
f
N
}。
[0028]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
[0029]1、本专利技术采用保守混沌系统，现有的OFDM-PON加密方案都是基于耗散型的数字混沌序列。而耗散混沌系统由其自身动力学特性会形成混沌吸引子。窃密者容易进行混沌系
统的相空间重构，这在一定程度上降低基于数字耗散混沌序列的加密系统的保密性。而保守混沌系统不存在耗散混沌的吸引子，涉及的相空间范围更大，并且随机性更强，目前针对耗散混沌系统的预测手段均无效，因此保守混沌系统具有更好的安全性。
[0030]2、本专利技术利用PCA技术解决了数字混沌系统退化问题，解决了“数字退化”会导致混沌系统出现短周期、非遍历性、以及混沌序列之间的强相关性等缺点。
[0031]3、本专利技术利用三维Arnold变换和混沌Frank矩阵进行加密和PAPR降低，三维Arnold变换增加了加密系统的复杂性，提高了加密性能。Frank序列是一种恒包络自相关序列，具有良好的自相关性和弱互相关性，任意Frank序列组成的信号都具有较低的峰均比。可以降低OFDM-PON系统的PAPR。
附图说明
[0032]图1是实施例一提供的基于保守数字混沌的三维Arnold变换的OFDM-PON物理层加密方法流程图；
[0033]图2是实施例一提供的基于保守数字混沌的三维Arnold变换的OFDM-PON物理层加密方法的传输结构示意图；
[0034]图3是实施例一提供的保守数字混沌系统的三维相图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于保守数字混沌的三维Arnold变换的OFDM-PON物理层加密方法，其特征在于，包括步骤：S1.在发射端利用保守数字混沌系统的初始值产生混沌序列，将产生的混沌序列加入扰动，并拓展为若干组混沌序列，将若干组混沌序列进行主成分分析算法PCA处理，选取第一主成分的混沌序列；S2.将选取的第一主成分的混沌序列控制三维Arnold变换的参数，对OFDM信号进行第一层加密；S3.通过Frank序列随机抽取产生混沌Frank矩阵，对OFDM信号进行第二层加密，将进行二次加密的信号经过电光调制器转换为光信号，并将光信号通过光纤信道传输至接收端；S4.在接收端经过光电探测器将光信号转换为电信号，并利用密钥对加密的电信号进行解密，输出原始数据。2.根据权利要求1所述的基于保守数字混沌的三维Arnold变换的OFDM-PON物理层加密方法，其特征在于，所述步骤S1中保守数字混沌系统的序列表达式为：其中，dx,dy,dz分别表示对x，y，z进行微分；c表示控制参数；利用保守数字混沌系统的序列表达式生成三组混沌序列值，分别为：{x
n
}、{y
n
}、{z
n
}。3.根据权利要求2所述的基于保守数字混沌的三维Arnold变换的OFDM-PON物理层加密方法，其特征在于，所述步骤S1中将若干组混沌序列进行主成分分析算法PCA处理，选取第一主成分的混沌序列，具体为：选取一维的混沌序列的不同时间延迟来构建d维的混沌相空间，生成的序列空间保持保守混沌特性，混沌序列扩展表达式为：y(i)＝(x(i),
…
,x(i+(d-1)τ))其中，x(i)表示一维的混...

【专利技术属性】
技术研发人员：周玉鑫，毕美华，何美霖，卢旸，杨国伟，周雪芳，胡淼，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：