一种基于数字混沌的光DFT-S-OFDM安全传输系统

摘要

本发明公开了一种基于数字混沌的光DFT‑S‑OFDM安全传输系统，系统共包含三个加密步骤，即OFDM同步训练序列的插入、DFT矩阵信号预处理和子载波映射，其中OFDM同步训练序列和子载波映射方式均由混沌系统产生，DFT矩阵元参数m，n由混沌系统生成，利用数字混沌的初值敏感性和伪随机性，对DFT‑S‑OFDM信号进行加密处理，实现保密传输。由于该安全系统密钥空间巨大，可有效地增强高速信息传输的安全性。同时由于DFT矩阵可以显著地降低OFDM信号的峰值平均功率比(PAPR)，该传输系统的性能也得到了提升。另一方面，由于DFT矩阵处理信号过程中不需要多次迭代优化和多个离散傅里叶变换操作，整个系统具有以下优点：系统构架简单、计算量小且收发机成本低，而且不需要传输边带信息。

权利要求

1.一种基于数字混沌的光DFT-S-OFDM安全传输系统，其特征在于，包括离线数字信号处理系统和加密系统；所述离线数字信号处理系统包括串并转换模块、正交幅度调制映射模块、补零模块、IFFT模块和加入循环前缀模块；所述串并转换模块被配置为将高速串行数据信号转换成M路并行的低速子数据流或子信号；所述加密系统包括基于四维数字超混沌模块实现的OFDM同步训练序列加密、DFT矩阵信号预处理加密和子载波映射加密，具体的加密方式为，所述四维数字超混沌模块被配置为产生四维混沌序列，其中一维混沌序列嵌入训练序列中，利用混沌序列较好的自相关性起到同步训练序列加密的效果；两维混沌序列用于对DFT矩阵进行改进，改进后的DFT矩阵表达式为：其中，0≤α，β≤M-1，m,n为从混沌系统的两维抽取的实常数，改进后的DFT矩阵处于不断更新变化中，可起到DFT矩阵信号预处理加密的效果；一维混沌序列从小到大依次排序产生一个新的序列，依据所述混沌序列排序前后的数字对应关系，对OFDM符号上的数据信号进行同样的置换，起到子载波映射加密的效果。

2.如权利要求1所述的基于数字混沌的光DFT-S-OFDM安全传输系统，其特征在于，所述正交幅度调制映射模块被配置为把输入的二进制数据流调制成为QPSK、16QAM或64QAM信号中的一种。

3.如权利要求1所述的基于数字混沌的光DFT-S-OFDM安全传输系统，其特征在于，通过由混沌加密系统得到的训练序列得到准确符号同步。

4.如权利要求1所述的基于数字混沌的光DFT-S-OFDM安全传输系统，其特征在于，所述DFT矩阵信号预处理加密中的DFT信号处理器被配置为降低OFDM信号的峰均比，改善OFDM信号的传输性能；并通过所述混沌序列使得DFT矩阵在信号传输的过程中处于不断加密更新的状态。

5.如权利要求1所述的基于数字混沌的光DFT-S-OFDM安全传输系统，其特征在于，所述子载波映射加密被配置为通过所述混沌序列使得映射方式不断更新变化，并使得子载波可能的排列状态数达到M！，所述M为并行的所述低速子数据流或所述子信号的个数。

6.如权利要求1所述的基于数字混沌的光DFT-S-OFDM安全传输系统，其特征在于，所述补零模块被配置为在加密完成之后，对子载波映射之后的OFDM符号进行补零操作，使得OFDM的符号长度达到N，再进行N点IFFT操作。

7.如权利要求6所述的基于数字混沌的光DFT-S-OFDM安全传输系统，其特征在于，所述串并转换模块被配置为将进行N点IFFT操作之后的并行信号变成串行信号输出。

8.如权利要求1所述的基于数字混沌的光DFT-S-OFDM安全传输系统，其特征在于，所述加入循环前缀模块被配置为消除符号间串扰。

说明书

一种基于数字混沌的光DFT-S-OFDM安全传输系统

技术领域

[0001] 本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种基于数字混沌的光离散傅里叶变换扩展正交频分复用的安全传输系统。

背景技术

[0002] 随着信息通信技术的迅猛发展，人们对互联网的依赖越来越大，随着互联网的持续快速发展，网络电视、3D视频、容灾备份、云计算等大流量、多需求的宽带业务层出不穷，带宽需求呈现爆炸式增长，并呈现每3年一个数量级的递增趋势。因此，为了进一步满足高带宽业务发展的要求，光通信技术得到迅猛发展，目前绝大部分信息都要通过光纤传输。而光信号被窃听事件时有发生，上世纪90年代中叶，美国国家安全局首次成功地进行了窃听海底光缆的实验。从此，光纤通信就变得不再安全。因此光通信安全问题日益突出，如何使得光信号更加安全地传输，具有保卫国家安全、维护领土与主权完整的重大意义。

[0003] OFDM由于其较高频谱利用率和较低系统实现复杂度，得到了广泛发展与应用。从2005年OFDM技术从电域引入到光域，因为其良好的抵抗色度色散和偏振模色散能力，光OFDM技术成为下一代高速光通信技术的重要发展方向之一。

[0004] DFT矩阵被广泛应用于信号处理领域，尤其在LTE技术中，使用DFT矩阵对其进行信号预处理，可以有效地降低系统的PAPR，使得信号传输性能得到极大的改善。

[0005] 目前保密光通信技术中比较热门的有光码分多址(OCDMA)技术、量子保密通信技术和混沌保密通信技术。

[0006] 光码分多址系统是由电码分多址系统演变而来的，OCDMA是将不同用户的信号用互成正交的码序列来进行光学编码，因为OCDMA系统中是采用每个用户分配唯一的地址码。在解调的过程中，利用光解码器对收到的扩频码序列与本地地址码进行相关运算，然后进行解扩处理，并通过特定阈值判决技术恢复源信号，传送给数据接收器实现数据恢复。因此，如果没有特定的解码器，在地址码未知的情况下，要想从光信号中提取信息是不可能的。

[0007] 量子保密通信被证明是绝对安全的。它是建立在海森堡测不准原理的基础上，在不知道量子状态时对量子进行复制是不可能的，复制之前要对量子进行测量，每一次测量都会改变光子极化态，即窃取下来的信息内容已经发生变化，不可能获取有效的传输信息。

[0008] 目前量子保密通信发展迅速，中国科学技术大学潘建伟团队在量子通信领域达到了国际领先水平，2012年初，由潘建伟院士牵头的“合肥城域量子通信试验示范网”正式开通，这是国际上首个规模化的城域量子通信网络，标志着量子通信大规模组网技术已经成熟。由于潘建伟院士在量子通信领域的巨大成就，他获得了2015年度国家自然科学一等奖。量子通信也有其固有的不足与缺陷，量子密钥传输距离比较短，量子密码在传送距离上仍未能满足实际光纤通信的要求。

[0009] 混沌保密通信目前主要包括混沌掩盖技术，混沌参数调制技术以及混沌键控技术。因为数字混沌系统以其良好的伪随机性、相关性、初值敏感性等安全加密特性，在保密通信方面极具实用价值。同时由于光OFDM的产生需要在电域大量地采用数字信号处理(DSP)，以灵活调配信号的子载波和时间间隔，光OFDM便于与数字混沌安全技术天然相结合。与光电混沌相比，数字混沌具有易于实现、密钥空间大等优点。基于数字混沌的信息加密技术近年来得到了蓬勃的发展。

[0010] 经对现有文献检索发现，2010年，M.Hossen和K.-D.Kim等人在International Conference on Advanced Communications Technology(国际先进通信技术会议)上发表了题目为“Synchronized latency secured MAC protocol for PON based large sensor network,”(基于大型传感器网络的PON中同步MAC控制信息的潜在安全性问题)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层甚至更高层进行，这样只加密了数据本身，而忽略了头信息和控制信息，使得头信息和控制信息很容易被窃听，进而导致极大的信息安全漏洞。因此，在物理层加密中，可以对所有信息(包括数据、头信息、控制信息等)进行加密，使得安全性进一步增强。

[0011] 又对现有文献检索发现，2014年北京邮电大学的Bo Liu等在《IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS》中发表了题为“Physical Layer Security in OFDM-PON Based on Dimension-Transformed Chaotic Permutation”(基于混沌维度置换的OFDM-PON物理层安全)的文章。作者在该文献中，提出了采用数字混沌对OFDM帧结构进行时域和频域维度置换，同时作者进行了实验验证，验证了此方案可以对信号进行安全传输，同时得到了巨大的密钥空间。但是在加密的同时，信号的传输性能没有得到改善，在某些特定情况下甚至会变差，而且加密过程繁琐，硬件成本较高因此，其加密方案也存在缺陷。

[0012] 2014年，湖南大学的Fan Li等人在Optics Express(光学快报)上发表了题为“Demonstration of DFT-spread 256QAM-OFDM signal transmission with cost-effective directly modulated laser”(基于廉价的直调激光器的DFT扩频的256QAM-OFDM信号传输)，在文章中，作者成功地进行了速率为11.85-Gbit/s的DFT扩频OFDM信号的20km标准单模光纤传输实验，并且采用了基于符号内频域平均(ISFA)的信道估计算法，使得信号传输性能得到显著提升，当接受光功率为-6dBm时，误码率得到了显著改善，由原始的6.4×10-3改善至6.8×10-4。

[0013] 因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于数字混沌的光DFT-S-OFDM安全传输系统，解决现有加密过程复杂、计算量大、硬件成本高、密钥空间小、需边带信息等缺点。

发明内容

[0014] 针对现有技术中的缺陷，本发明所述技术方案所要解决的技术问题是如何在加密完成后不牺牲信号的可传输性。

[0015] 为了实现上述目的，本发明提供了一种基于数字混沌的光DFT-S-OFDM安全传输系统，包括离线数字信号处理系统和加密系统，所述加密系统包括基于四维数字超混沌模块实现的OFDM同步训练序列加密、DFT矩阵信号预处理加密和子载波映射加密；所述离线数字信号处理系统包括串并转换模块、正交幅度调制映射模块、补零模块、IFFT模块和加入循环前缀模块。

[0016] 进一步地，所述串并转换模块被配置为将高速串行数据信号转换成M路并行的低速子数据流或子信号。在串行通信系统中，数据符号连续串行传输，每个数据符号占用所有可用频带。在并行通信系统中，由于整个信道带宽被分割成多个窄带子频带，单个数据只占用整个频带的一部分。

[0017] 进一步地，所述正交幅度调制映射模块被配置为把输入的二进制数据流调制成为QPSK、16QAM或64QAM信号中的一种。以16QAM为例，“1010”序列可以调制成3+i，进而使得原来的串行单一数据变成了一个复数。这样可以使得数据可以进行FFT变换，另一方面，使得数据引入了冗余度，可以达到降低误码率的目的。

[0018] 进一步地，所述四维数字超混沌模块被配置为产生四个混沌序列，分别用于OFDM训练序列加密、DFT矩阵信号处理加密和子载波映射加密。高维超混沌一方面可以为多重加密提供所需的伪随机序列，另一方面也可以大大增加了混沌的密钥空间，从而使得整个系统安全性大大增强。

[0019] 进一步地，通过由混沌加密系统得到的训练序列得到准确符号同步。加密系统中训练序列的作用是为了得到准确符号同步，假如通过数字混沌使得训练序列不为窃听者所知，窃听者就无法进行精确的符号同步，因此无法对信号进行正确的解调。

[0020] 进一步地，所述DFT矩阵信号预处理加密中的DFT信号处理器被配置为降低OFDM信号的峰均比，改善OFDM信号的传输性能；并通过所述混沌序列使得DFT矩阵在信号传输的过程中处于不断加密更新的状态。

[0021] 进一步地，所述子载波映射加密被配置为通过所述混沌序列使得映射方式不断更新变化，并使得子载波可能的排列状态数达到M！，进而可以使得密钥空间和状态数变得巨大，大大增强系统的安全性。

[0022] 进一步地，所述补零模块被配置为在加密完成之后，对子载波映射之后的OFDM符号进行补零操作，使得OFDM的符号长度达到N，再进行N点IFFT操作。

[0023] 进一步地，所述串并转换模块被配置为将进行N点IFFT操作之后的并行信号变成串行信号输出。

[0024] 进一步地，所述加入循环前缀模块被配置为消除符号间串扰。

[0025] 本发明的目的是提供一种利用数字混沌序列在物理层加密、加密过程简单、计算量小、硬件成本低、密钥空间大、无需边带信息，同时改善信号传输性能的一种光OFDM安全传输系统。加密过程主要分为三个步骤，同步训练序列加密、DFT预处理加密和子载波置换加密，同时引进一个四维超混沌，产生四组伪随机混沌序列，分别作用于以上三个加密过程。

[0026] 四维超混沌有极高的初值敏感性和自相关性，经验证，当初值仅仅改变10-15，混沌序列就会进入完全不同的状态，所以以混沌初值作为密钥，密钥空间非常可观，可以达到1060(1015×1015×1015×1015)，可以大大增强系统的安全性。

[0027] 利用混沌序列较好的自相关性可以将使用混沌序列对训练序列进行处理，将混沌嵌入训练序列里，一方面可以对数据进行加密保护，当窃听者无法获得准确的训练序列时，就无法进行准确的符号定位，从而无法完成对信号的正确解调，得不到正确的星座图。另一方面，使用经由混沌序列处理过的训练序列，由于混沌序列良好的自相关性，可以准确无误地完成符号同步。

[0028] DFT矩阵被广泛应用于信号处理，目前在LTE上行链路传输广泛使用的SC-FDMA多址技术中，利用DFT矩阵对OFDM信号进行处理，可以有效降低信号的PAPR，如此以来，可以降低对终端功放的要求，提高功率的利用率。一般传统意义上的DFT矩阵表达式为：

[0029] 其中，0≤α，β≤M-1，

[0030] F为M×M矩阵α，β分别为DFT矩阵的行列角标，F为M×M矩阵。

[0031] 假设第k个OFDM符号为 T表示矩阵转置运算,经由DFT矩阵处理过的符号 的自相关性会变得更好，而符号序列的PAPR是
与序列的自相关性密切相关的，所以可以降低信号的PAPR值。在本发明中，我们利用混沌的两维序列对DFT矩阵进行改进，改进后的DFT矩阵表达式为：

[0032] 其中，0≤α，β≤M-1，

[0033] m,n为从混沌系统的两维抽取的实常数。

[0034] 如此以来改进后的DFT矩阵F′处于不断更新变化之中，可以对信号进行有效加密。更进一步的，改进后的DFT矩阵保留了初始DFT矩阵的基本数学特性，比如，改进后的DFT矩阵的逆矩阵等于其共轭矩阵，改进后的DFT矩阵的各行各列的元素是公比为e-j2π/M的等比数列。所以改进后的动态DFT矩阵依然可以使得被处理的信号序列的自相关性变好，从而降低信号的PAPR，改善系统的传输性能。如图2和图3所示，DFT矩阵对于无论QPSK、16QAM还是
64QAM调制格式信号，都可以降低其PAPR。

[0035] 第三个加密步骤是子载波映射过程中利用混沌序列对子载波进行置换。在此加密过程中，首先利用混沌的产生一个混沌数组，共包含M个数字。然后对M个数字从小到大依次排序产生一个新的数组。依据混沌数组排序前后的数字对应关系，对OFDM符号上的M个数据信号进行同样的置换。此置换过程简单有效，可以大大降低运算量，同时可以产生M！的巨大的状态空间，大大增强了系统安全性。

[0036] 加密过程之后要对OFDM符号进行补零操作，使得OFDM符号长度为N，然后进行IFFT变换。

[0037] 优选地，在离线数字信号处理模块中，依据不同的传输要求，我们可以将二进制数据调制成为正交相移键控(QPSK)、16正交幅度调制(16QAM)、64正交幅度调制(64QAM)形式。

[0038] 优选地，在做IFFT变换操作时，N可以取64、256、512、1024。相应的M要小于N，根据实际情况，M可取为3/5*N到4/5*N之间范围。

[0039] 优选地，在插入循环前缀时，为了避免过大的带宽代价和能量损失，一般认为循环前缀长度必须小于OFDM符号长度的1/4。

[0040] 优选地，必须选取合适混沌参数，使得四维混沌系统处于有效的混沌状态，同时混沌的初始迭代次数也要足够大，以保证能够获得初值敏感、类随机性好的混沌序列。

[0041] 优选地，在进行DFT矩阵加密过程中，由于DFT矩阵元素的周期性，参数m，n必要时可以限定在-M到M之间。

[0042] 优选地，在进行子载波置换加密过程中，产生一个混沌数组的过程可以采取每间隔100个混沌值挑选出一个作为混沌数组的一个元素，这样可以使得整个混沌数组元素更具随机性。

[0043] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明所提出的DFT-S-OFDM加密系统采用一个四维超混沌，具有巨大的密钥空间。同时，利用基于混沌改进的DFT矩阵对信号进行处理，一方面可以对信号进行有效加密，另一方面可以有效克服传统OFDM系统中PAPR高的难题，有效地改善了信号传输质量，使得信号误码率性能大幅度提升。更进一步地，与一般的降低PAPR的方法，比如概率类技术或者信号预畸变技术，此方案具有计算量小，硬件实现成本低，信号无畸变、不需要边带信息等诸多优点。同时，利用混沌对子载波映射进行加密的方案，可以得到巨大的状态空间和密钥空间，进一步提升系统的安全性能，并且置换算法简单有效。由于LTE技术上行链路的DFT预处理技术可以有效地移植到光通信技术中，所以，此加密方案应用范围广泛，前景良好，可操作性强。

[0044] 以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

[0045] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

[0046] 图1为根据本发明提供的传输性能好、密钥空间大、计算量小、低成本的基于数字混沌的DFT-S-OFDM安全传输系统的结构示意图；

[0047] 图2为使用改进后DFT矩阵对信号序列处理前后自相关函数示意图；

[0048] 图3为使用改进后DFT矩阵对信号序列处理前后PAPR改善情况示意图；

[0049] 图4为DFT-S-OFDM加密信号20km标准单模光纤安全传输实验装置图；

[0050] 图5为使用DFT-S-OFDM方案加密信号前后误码率示意图；

[0051] 图6为解调时参数m的偏移量与误码率的关系示意图；

[0052] 图7为解调时参数n的偏移量与误码率的关系示意图。

具体实施方式

[0053] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

[0054] 本发明充分利用数字混沌系统初值敏感性、类随机性以及自相关性，通过训练序列的符号同步、DFT矩阵的信号预处理、子载波映射方式三重步骤，获得了巨大的密钥空间。具体地，如图1所示，我们采用16QAM调制器，M取为768，N为1024，即发送端的子载波数设为
768，IFFT长度为1024。我们使用一个四维超混沌产生四维混沌序列，其中一维用于训练序列插入，两维用于DFT矩阵信号预处理，另外一维用于子载波置换。我们对OFDM信号进行加密传输实验，结果表明该加密系统不仅实现了高安全性，而且由于DFT矩阵对信号的预处理作用，传输性能也得到了显著改善，同时子载波映射加密步骤极大地增加了状态空间，增强了破解的难度，进一步提高了系统安全性。而且加密过程简单，计算量小，无需边带信息，硬件实现难度小。

[0055] 如图4所示，我们进行基于数字混沌DFT-S-OFDM安全传输实验。原始伪随机二进制比特流数据经过串并转换和16QAM调制后加载到其中的384个子载波上，每个OFDM符号均符合Hermitian对称形式，从而实现强度调制直接检测。因此其中384个子载波真正用来发送数据，384个子载波与其形成镜像共轭对称，最后一个子载波为直流分量。此外，还要对传输信号插入混沌同步训练序列，以及用于信道估计的导频，并在每个OFDM符号前插入1/8符号长度的循环前缀以对抗信道衰弱和延迟。以上发送端的信号处理均在Matlab中离线完成，发送端将处理好的数据流导入任意波形发生器(Arbitrary Waveform Generator,AWG)产生基带OFDM电信号，任意波形发生器的采样率设置为10GS/s，数模转换分辨率设置为8bits。产生基带OFDM电信号首先通过RF放大，然后由马赫曾德调制器(Mach-Zehnder Modulator,MZM)将基带电信号调制到光载波上，连续光由工作在1550nm的分布式反馈(Distributed feedback，DFB)产生。最后将调制得到的OFDM光信号接入20km的单模光纤中传输至接收端。

[0056] 接收端用一个PIN光电二极管将接收得到的OFDM光信号转换为基带电信号。然后将电信号送入示波器，以20GS/s两倍于发送端的采样率进行采样，示波器的AD采样分辨率为8位。最后将接收得到的数据通过Matlab软件进行同步和解调。

[0057] 如图5所示，在进行解调过程中，对于非法用户，当密钥仅仅相差10-15时，得到的星座图就完全被打乱。对于合法的接收方，信号则可以正确解调。从图中还可以看出，由于经DFT矩阵预处理的信号PAPR大幅度下降，所以，与没有经过DFT处理过的原始OFDM信号相比，在BER＝10-3处，DFT-S-OFDM信号的接收光强度降低了大约2dBm。以上结果有力地证明了该安全传输系统的高安全性，同时可以显著改善系统的传输性能。

[0058] 我们接下来验证DFT矩阵加密的有效性。如图6所示，在解调过程中，当所用DFT矩阵参数m与正确的m值有偏差时，得到的星座图随之质量变差，误码率急剧上升，即不能窃听获得数据。当Δm大于0.01时，误码率就大于10-3，即使利用前向纠错技术也无法正确恢复数据。所以Δm的敏感度可以达到0.01。随着Δm的逐渐变大，星座图也随着做有规律的整体偏移。如图7所示，在解调过程中，当所用DFT矩阵参数n与正确的n值不完全匹配时，也不可能得到正确的星座图。随着Δn逐渐变大，星座图也随着做有规律的整体旋转，误码率急剧上升。当偏移量超过0.01时，误码率就高于10-3，完全不可能无法正确恢复数据。所以Δn的敏感度也可以达到0.01。

[0059] 所以纵观整个加密系统，由于密钥的初值敏感度可以达到10-15，而我们使用了一个四维混沌，所谓总的密钥空间可以达到1060。同时由于DFT矩阵中参数m，n的敏感度可以达到0.01，M＝768，又根据DFT矩阵中元素的周期性，所以DFT矩阵加密过程中的状态空间可达6×109(76800×76800)。在子载波置换这个加密步骤中，我们又可以得到数量为768！的巨大的状态空间，从而可以进一步增强系统的安全性。

[0060] 在本实施例中，采用基于数字混沌的DFT矩阵预处理技术和子载波置换加密技术，具有以下的优点：

[0061] 1)由于光OFDM系统具有灵活可变的子载波和时间间隔，而且需要大量的数字信号处理过程，所以数字混沌可以在电域DSP中简单地加以应用，更有利于光OFDM系统与数字混沌相结合。

[0062] 2)该体系结构采用四维超混沌，可提供巨大的密钥空间，从而增强系统的安全性。

[0063] 3)该体系结构采取基于数字混沌的DFT矩阵预处理技术，一方面，方案可以加密OFDM信号，提供巨大的状态空间，提高系统的安全性。另一方面，DFT预处理技术可以显著降低信号的PAPR，降低信号误码率，改善信号传输性能。同时，使用DFT矩阵预处理技术降低PAPR，还具有计算量小、易于实现、无需边带信息等优点。

[0064] 4)该安全传输方案通过产生一维混沌数组，按照一定的规则排序，然后对应地对OFDM上的子载波进行置换，此置换过程简单，计算量小，同时可以提供768！的巨大的状态空间。

[0065] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。