基于数字混沌的信号扰码技术在光正交频分复用保密传输中的应用

摘要

在现代高速通信网络中，光纤通信因为其具有低损耗、大容量和强抗干扰能力等特点，已逐渐成为通信网络中的骨干。在光通信技术中，光正交频分复用（OFDM）是一种基于正交多载波的频分复用调制技术，由于各子载波间存在正交性而避免了子载波间的干扰，同时子载波间的保护间隔有效地减小，从而频谱利用率得到提升。由于多载波调制可以通过快速离散傅里叶变换实现，降低了系统计算复杂度。自2005年OFDM技术从电域引入光域，光OFDM技术已成为了下一代高速光纤通信系统最具前景的技术之一。
　　另一方面，随着光纤通信中的数据容量不断增加，光纤中的信息安全传输的重要性日益成为挑战。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的产生和调制中需要在电域大量地采用数字信号处理（DSP），以灵活配置其子载波的频率和时间，光 OFDM便于与数字混沌安全技术天然地相结合到一起。
　　本文侧重研究数字混沌在光OFDM保密通信系统中的应用，并在理论研究的基础上，实验验证了基于数字混沌的信号扰码技术用于光OFDM接入网（PON）的传输。主要包括以下几部分研究工作：
　　（1）研究了通过数字混沌构造同步训练序列的符号定时同步算法：针对强度调制直接检测（IMDD）光OFDM系统，利用混沌序列良好的伪随机性和相关性，构造 OFDM符号同步所需要的特殊训练序列，降低了计算复杂度的同时，保持了良好的OFDM符号时间同步性能，同时由于混沌的初值敏感性，增强了系统的安全性，混沌同步算法的可行性得到了实验验证。
　　（2）研究了基于数字混沌的信号扰码加密技术：在光OFDM系统中，通过将数字混沌与传统的选择映射（SLM）和部分传输序列（PTS）算法结合，对传输的信息进行了加密，提供了极大的密钥空间；在加密的同时降低了传输信号的峰均功率比（PAPR），提升了传输性能；混沌系统也为SLM和PTS算法提供了扰码信息，减少了系统的边带信息传输。实验中成功实现了基于数字混沌的信号扰码算法的保密传输与信号解密接收。
　　（3）研究了对抗选择明文攻击的算法：针对光 OFDM物理层加密的进一步要求，提出了一种光 OFDM系统中基于数字混沌的二维时频置换和 OFDM信号相位旋转的新型加密算法，具备有效地对抗选择明文攻击的能力。进一步实验验证了该算法的可行性。另外，当若干个子载波受到攻击或具有低信噪比时，该方案还可以有效降低这些子载波信号传输所造成的影响。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景及研究意义

1.2国内外研究现状

1.3本论文研究内容及结构安排

第二章 数字混沌技术及光OFDM通信系统基本原理

2.1混沌理论概述

2.2混沌密码学概述

2.3光OFDM技术的基本原理

2.4光OFDM传输系统的关键技术

2.5本章小结

第三章 基于数字混沌的光OFDM同步算法

3.1概述

3.2基于数字混沌的光OFDM符号定时同步

3.3安全性分析

3.4本章小结

第四章 基于数字混沌信号扰码技术的光OFDM保密传输

4.1概述

4.2基于数字混沌的SLM加密算法

4.3基于数字混沌的PTS加密算法

4.4基于数字混沌信号扰码技术保密传输实验

4.5安全性能分析

4.6本章小结

第五章 对抗选择明文攻击的光OFDM保密传输技术

5.1概述

5.2基于数字混沌的对抗选择明文攻击加密方案

5.3对抗选择明文攻击加密实验

5.4安全性分析

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1主要工作与创新点

6.2后续研究工作

参考文献

附录 缩略词

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文