【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光通信，涉及一种基于凸优化的光接入网高速安全优化方法。
技术介绍
1、pon是一种高带宽、低成本的光接入方案，但面临带宽需求增加的挑战。现有方案包括相干检测、波分复用和高阶调制，但需要硬件改造，麻烦且代价大，因此系统优化是提高容量的更好选择。商用pon系统采用固定速率传输，资源利用率低，且存在信息泄露风险。速率适配可通过编码调制实现，但直接改变调制阶数在pon中并不常用。基于fec的方法存在容量限制，maxwell boltzmann分布的星座整形方案得到广泛研究。pas架构是一种精细的速率自适应方案，基于物理层加密技术可保护数据安全，但现有技术没有考虑整体性能，没有综合评估和优化加密和通信编码调制方案，现有光接入网缺乏对速率和安全性统一进行评估的标准问题。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于凸优化的光接入网高速安全优化方法，提出16qam相干pon系统中的联合概率、几何成形、密钥和帧长度优化方案，以提升pon中的传输速率以及安全性能，解决现有光接入网缺乏对速率和安全性统一进行评估的标准问题。
2、为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、一种基于凸优化的光接入网高速安全优化方法，包括以下步骤：
4、s1：描述光接入网的系统结构，给出速率和安全性的量化指标；
5、s2：建立一个带约束的优化问题，包括最大功率约束、概率和约束、放大器性能约束、ngmi的最小阈值约束以及密钥和帧长度约束；p>
6、s3：采用交替优化算法将优化问题分解为四个子问题，然后采用连续凸逼近以及两凸函数之差将各子问题转化为凸优化问题进行迭代求解。
7、进一步，步骤s1所述光接入网的系统为无源光网络pon通信系统，包括一个光线路终端和多个光网络终端；
8、包括一个存储于光线路终端的离线优化程序，用于基于成型的pam调制，通过cmosdac以生成pam信号，用于基于成型的pam调制，通过cmosdac以生成pam信号；
9、包括一个位于光线路终端的发射器和多个位于光网络终端接收器，组成一对多的网络结构；所述发射器由驱动器放大器和外部调制激光器组成，外部调制激光器受激产生激光信号，经过驱动器调制形成调制激光信号，再经过放大器放大形成可以在光纤中传输的调制光信号，所述接收器带有可变光衰减器和带线性跨阻放大器的25g级雪崩光电二极管，可变光衰减器把来自光纤的光信号衰减到合适的强度，再经过雪崩光电二极管转换为电信号，接收器的数字信号处理包括时钟恢复和前馈均衡，时钟恢复算法使接收器的时钟与发射器的时钟保持同步，使adc处于最佳的采样点，前馈均衡算法用于补偿光纤的非线性特性。
10、进一步，步骤s1中所述速率的量化指标为：
11、
12、gmi(x；y)表示广义互信息量r，x表示光纤线路终端传输数据符号，y表示经过高斯白噪声信道后，在光纤网络终端处接收信号；bj表示第j各传输符号，符号采用gray映射；在高斯白噪声信道中，接收信号y的分布表示为：
13、
14、在系统中，使用m-qam调制来传输信息，符号最大的信息量为m＝log2m bits/symbol，在按比特解调的标准下，gmi按以下公式估计：
15、
16、其中表示星座点集合，bk,i∈{0,1}表示第k个传输符号的第i个比特，表示第k个传输符号的第i个比特为bk,i的星座子集合，归一化gmi定义为ngmi＝1-(h(x)-gmi)/m。
17、进一步，步骤s1中，所述安全性的量化指标为：
18、
19、q表示交叉映射的次数，n表示混沌序列的迭代次数，d表示每次量化所产生的比特数；ρ是加密复杂度的相关参数，与交叉映射次数、迭代菜蔬以及量化比特数有关，定义为α代表混沌函数的运行时长，l是帧长度，k表示密钥长度。
20、进一步，步骤s2所述带约束的优化问题表述如下：
21、
22、
23、
24、(c3)max(ψ·g·x)≤xth
25、(c4)ngmi≥rth
26、(c5)kmin≤k≤kmax
27、(c6)lmin≤l≤lmax
28、其中ψ是调制器效率，g为soa增益，βs是安全系数，βr是通信速率系数，pmax是soa的最大发射功率，px表示ps的概率分布，sx表示gs的星座点的幅值，xth是soa维持线性运行的峰值功率阈值，rth是实际实现的ngmi阈值，kmin是密钥长度的下限，kmax是密钥长度上限，lmin是通信帧长度下限，lmax是通信帧上限；(c1)-(c6)分别表示最大功率约束、概率和约束、最大峰值功率约束、最小ngmi约束以及密钥和帧长度约束。
29、进一步，步骤s3具体包括以下步骤：
30、s31：首先优化密钥长度k，优化变量k仅和安全性能us以及约束(c5)有关，其优化子问题为：
31、
32、s.t (c5)kmin≤k≤kmax
33、约束(c5)是一个线性约束，且安全性能函数是关于k的凹函数，直接求解；
34、s32：当固定其他优化变量时，优化帧的长度l，其优化子问题构造为
35、
36、
37、(c6)lmin≤l≤lmax
38、其中约束(c1)和(c6)是关于l的线性约束，令安全指标简化为：
39、
40、根据二阶条件，和都是关于l的凸函数，将两函数进行线性化，使用一阶泰勒展开，得到：
41、
42、其中表示上次迭代的结果，此时，直接求解该问题；
43、s33：概率成形，构造成以下优化子问题：
44、
45、
46、
47、(c4)ngmi≥rth
48、约束(c1)和(c2)是关于px的线性约束，首先将gmi变换为如下形式：
49、
50、熵函数是凹函数，第二个和第三个式子也是凹函数，因此构成了两凹函数之差的形式，利用一阶泰勒展开将减式进行线性化，即：
51、
52、其次，ngmi也经过类似处理而转化为凹函数，因此整个问题是一个凸优化问题，能够直接求解；
53、s34：几何成形，构造成以下优化子问题：
54、
55、
56、(c3)max(ψ·g·x)≤xth
57、(c4)ngmi≥rth
58、其中(c1)是关于x的线性函数，(c3)是关于x的凸函数，将目标函数中关于x的部分进行线性化，可得：
59、
60、通过以上变换直接求解。
61、本专利技术的有益效果在于：本专利技术以无源光网络pon为例，首次提出了基于凸优化的光本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于凸优化的光接入网高速安全优化方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于凸优化的光接入网高速安全优化方法，其特征在于：步骤S1所述光接入网的系统为无源光网络PON通信系统，包括一个光线路终端和多个光网络终端；
3.根据权利要求1所述的基于凸优化的光接入网高速安全优化方法，其特征在于：步骤S1中所述速率的量化指标为：
4.根据权利要求1所述的基于凸优化的光接入网高速安全优化方法，其特征在于：步骤S1中，所述安全性的量化指标为：
5.根据权利要求1所述的基于凸优化的光接入网高速安全优化方法，其特征在于：步骤S2所述带约束的优化问题表述如下：
6.根据权利要求5所述的基于凸优化的光接入网高速安全优化方法，其特征在于：步骤S3具体包括以下步骤：
【技术特征摘要】
1.一种基于凸优化的光接入网高速安全优化方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于凸优化的光接入网高速安全优化方法，其特征在于：步骤s1所述光接入网的系统为无源光网络pon通信系统，包括一个光线路终端和多个光网络终端；
3.根据权利要求1所述的基于凸优化的光接入网高速安全优化方法，其特征在于：步骤s1中所述速率的量化指标为...
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