光接入网星座整形安全接入方法

摘要

本发明公开了一种光接入网星座整形安全接入方法，属于光接入网技术领域。本发明对调制得到的QAM符号序列分组统计概率分布信息SI，并根据各组的SI对QAM星座各圈层区域进行定向交换以增大内圈星座点的出现概率。将SI编码成相位序列，与离散混沌序列相加取模后加载在各组QAM符号上，在传输概率整形信号的同时传输其统计分布信息SI。在接收端先通过混沌序列对加密信号进行相位检测，再利用恢复出的SI信息对各组星座进行概率恢复。本发明降低了信源熵、减小了信号平均功率、增大了星座点间平均欧氏距离，优化了信号误码率性能；本发明通过对QAM符号添加混沌相位，保证了数据安全性，增加了信号随机性，随机相位的添加还提升了信号的误码率性能。

说明书

技术领域

本发明属于光接入网技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于星座整形的安全接入方法。

背景技术

信息技术飞速发展的同时，网络安全事件也层出不穷。在严峻的安全挑战下，大力发展安全通信技术迫在眉睫。而接入网作为网络通信的最后一公里，其相关安全通信方案研究应该得到特别重视。

正交频分复用-无源光网络(Orthogonal Frequency Division Multiplexing-Passive Optical Network，OFDM-PON)凭借其在频谱效率、色散容忍性等方面的显著优势，成为了下一代光接入网技术的重要候选方案。同时其广播通信特征也对安全接入方案提出了相应需求。

混沌加密技术具有全数据加密、密钥空间大以、易实现等优势，部分混沌加密方案甚至能优化系统通信性能。而星座整形技术能有效提高信号传输性能，降低信号平均功率。综合两项技术的优势，有望实现一种简单有效的安全通信方法。

发明内容

本发明的发明目的在于：为了克服现有技术的不足，提供一种基于星座整形的混沌安全接入方法，采用星座概率整形和几何整形技术，实现了无数据膨胀的星座概率整形，同时提升了加密数据的误码率BER性能。

为实现上述发明目的，本发明的光接入网星座整形安全接入方法，包括步骤：

步骤1：将待发送的正交幅度调制QAM符号序列均分为多个分组；

并将QAM星座按圈层从内至外均分为多个区域；

获取各分组的QAM符号在各个区域中出现的频次高低顺序统计信息(StatisticsInformation，SI)；即对各个区域按照QAM符号在各个区域中出现的频次进行降序排序得到每个分组的SI；

步骤2：基于每个分组的SI，对每个分组的各个区域进行区域置换：

将每个分组的第m个区域A

步骤3：混沌相位合成：

将每个分组的QAM符号均分为多个小组，每个小组加载一个相位

将S个相位向量PhaseVec复制G份得到相位矩阵PhaseMat，并基于配置的混沌CSSubMat对所述相位矩阵PhaseMat进行相加模P处理，将处理结果再转换成大小为1×T 的向量，得到每个分组的混沌相位向量ChaosPhase，其中，G、T分别表示每个小组和每个分组的QAM符号数；

步骤4：QAM几何整形：

基于每个分组的混沌相位向量ChaosPhase计算旋转角θ：

θ＝90°×ChaosPhase

其中，ChaosPhase

基于旋转角θ对每个分组的QAM符号在复平面上的坐标进行旋转，得到旋转后的坐标 Pos'：

其中，Pos表示旋转前的坐标，real(·)表示实部，imag(·)表示虚部，j表示虚数单位；

步骤5：信号调制与传输：

发送端对QAM几何整形后的QAM符号序列进行OFDM调制，再将OFDM调制后的信号通过数模转换成模拟信号后调制到光信号上发送，经过光纤传输至接收端；

步骤6：接收端进行星座整形混沌解密：

以相位X对接收到的各个小组的每个QAM符号的复平面坐标进行逆旋转，得到以相位X 恢复后的复平面坐标，其中，相位X包括P种取值，与步骤3中的每个小组的相位

对得到的每个小组的所有复平面坐标，分别计算P种相位情况下的累计欧氏距离，并将最小的累计欧氏距离对应的相位X确定为当前小组的实际相位，以得到每个分组的所有实际相位，确定每个分组的SI；

基于每个分组的SI进行区域置换的逆操作，得到恢复信号。

本发明光接入网星座整形安全接入方法，对调制得到的QAM符号序列分组统计概率分布信息SI，并根据各组的SI对QAM星座各圈层区域进行定向交换以增大内圈星座点的出现概率。将SI编码成相位序列，与离散混沌序列异或加密后加载在各组QAM符号上，在传输概率整形信号的同时传输其统计分布信息SI。在接收端先通过混沌序列对加密信号进行相位检测，再利用恢复出的SI信息对各组星座进行概率恢复。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

1)本发明通过对QAM符号星座区域定向置换，增大了星座内圈区域出现概率，减小了星座外圈区域出现概率，简单地实现了对信号的概率整形；

2)本发明通过对信号进行概率整形，降低了信源熵、减小了信号平均功率、增大了星座点间平均欧氏距离，优化了信号误码率性能；

3)本发明通过对QAM符号添加混沌相位，保证了数据安全性，增加了信号随机性，随机相位的添加还提升了信号的误码率性能；

4)本发明通过在接收端对混沌相位的解析，实现了对整形信号的有效恢复。在不恶化误码率性能的前提下，避免了概率整形带来的数据量膨胀，充分利用了系统带宽。

附图说明

图1是本发明基于星座整形的混沌安全接入方法的具体实施方式流程图；

图2是本实施例中星座区域划分及概率整形原理图，其中，图2(a)为16-QAM的区域划分示意图，图2(b)为PS前星座分布频数示意图，图2(c)为PS后星座分布频数示意图；

图3是本实施例中星座几何整形原理图，其中，图3(a)为旋转角θ为0°的星座几何整形示意图，图3(b)为旋转角θ为30°的星座几何整形示意图，图3(c)为旋转角θ为 60°的星座几何整形示意图，图3(d)为旋转角θ为90°的星座几何整形示意图。

图4是本实施例中数据传输系统结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

为实现上述发明目的，本发明光接入网星座整形安全接入方法的具体步骤包括：

S1：将长为L的QAM符号序列分为每组含T个符号的N个分组Ψ

分析并记录各分组Ψ

S2：对第i(i＝1,2,..,N)个分组Ψ

A

其中，A

S3：将T个QAM符号的分组Ψ

且QAM符号序列的分组数G、每个分组包括的QAM符号数T、QAM星座区域数M、小组数S和相位

将S个相位向量PhaseVec复制G份得到相位矩阵PhaseMat，并基于配置的混沌CSSubMat对所述相位矩阵PhaseMat进行相加模P处理，将处理结果再转换成大小为1×T 的向量，得到每个分组的混沌相位向量ChaosPhase；

S4：在每个分组上加载混沌相位ChaosPhase。对于每个QAM，其旋转角由混沌相位ChaosPhase的元素决定。

分别用Pos和Pos'表示旋转前后QAM在复平面上的坐标，将旋转过程表示为 Pos'＝rotate(Pos,ChaosPhase

θ＝90°×ChaosPhase

其中，θ表示旋转角，rotate(·)表示旋转处理，ChaosPhase

S5：对经过QAM几何整形的QAM符号序列进行OFDM调制，得到的信号通过数模转换成模拟信号后调制到光信号上发送，经过光纤传输后再在接收端进行信号检测；

S6：分别假设X取0，1，…，P-2或P-1，利用X对QAM符号进行相位恢复，并分别计算P种情况下的累计欧氏距离D。以16-QAM为例，对G个QAM的判决结果中使得D最小的X 值即判定为加载在QAM上的实际相位：

Pos

其中，Pos

本发明光接入网星座整形安全接入方法，对调制得到的QAM符号序列分组统计概率分布信息SI，并根据各组的SI对QAM星座各圈层区域进行定向交换以增大内圈星座点的出现概率。将SI编码成相位序列，与离散混沌序列相加取模后加载在各组QAM符号上，在传输概率整形信号的同时传输其统计分布信息SI。在接收端先通过混沌序列对加密信号进行相位检测，再利用恢复出的SI信息对各组星座进行概率恢复。

实施例

图1是本发明基于星座整形的混沌安全接入方法的具体实施方式流程图。如图1所示，本发明基于星座整形的混沌安全接入方法的具体步骤包括：

S101：分析信号统计特性：

由于QAM星座中不同圈层的点具有不同的功率，且内圈之间的欧氏距离大于外圈，故增大QAM星座内圈星座点的出现概率，即概率整形，有益于提升信号抗噪声性能，降低信号平均功率，减小信源熵。对于一个经过QAM调制的随机符号序列，其星座图上各点出现的概率服从均匀分布。但若对其分段统计，每一段都具有一定随机性，通过在微观上记录每一段符号的概率分布，并对其圈层分布进行定向调整——将出现概率高的区域交换到内圈，概率低的置换到外圈，即可在宏观上改变QAM符号序列的原始概率分布。

将伪随机比特序列(Pseudo-Random Bit Sequence，PRBS)经过串并转换和QAM调制后得到长为L的QAM符号序列。再将序列划分为每组含T个QAM符号的N个分组Ψ

图2是本实施例中星座区域划分及概率整形原理图。如图2(a)所示，本实施例中采用16-QAM调制，星座图按圈层由内至外分别划分为A

S102：星座概率整形(Probabilistic Shaping，PS)：

对于N个分组Ψ

A

其中，A

本实施例中，一个含30个16-QAM符号的分组Ψ

以图2(b)所示分组Ψ

S103：混沌相位合成：

为使经过PS的信号能够被成功恢复，在发送信号的同时需要向接收端传输SI。而为了避免信号膨胀，可以将每个分组Ψ

为减小判决误差，G在满足上式的条件下应尽可能大，选择满足要求的参数并将SI信息转化成含S个P元相位的相位向量PhaseVec，其每个元素作用于一个含G个QAM符号的小组Φ

为了增加相位的随机性以及保证传输过程的安全性，可以用混沌序列对相位矩阵进行相加模P处理。利用混沌系统初始参数Key作为密钥生成一个长为L的混沌序列，并将该序列转化为取值区间同样为{0,1,…,P-1}的离散混沌序列(Chaos Sequence，CS)。将CS也划分成N个长为T的子序列，每个子序列CSSub再转换成大小与PhaseMat一致的矩阵CSSubMat，分别与对应的PhaseMat执行模加操作，将结果再转换成大小为1×T的混沌相位向量 ChaosPhase。

本实施例中，因为M＝4，T＝30，每个含T个QAM符号的分组Ψ

S104：QAM几何整形(Geometric Shaping，GS)：

利用步骤S103生成的混沌相位ChaosPhase对每一个QAM星座的复平面坐标值进行相位旋转加密，称为对QAM的几何整形。QAM星座旋转90°后的星座图将与原星座图重合(如图 3(a)和3(d))，接收端无法分辨QAM符号是否经过了相位旋转，故应设置旋转角θ＜90°。对于每个QAM，其旋转角由混沌相位ChaosPhase的元素决定。分别用Pos和Pos'表示旋转前后QAM在复平面上的坐标，将旋转过程表示为Pos'＝rotate(Pos,ChaosPhase

θ＝90°×ChaosPhase

图3是本实施例中星座几何整形原理图。如图3所示，本实施例中设置P＝3，混沌相位 ChaosPhase长为30，取值范围为{0,1,2}。当ChaosPhase

S105：信号调制与传输：

对经过GS的QAM符号序列进行OFDM调制，得到的信号通过数模转换成模拟信号后调制到光信号上发送，经过光纤传输后再在接收端进行信号检测恢复。

图4是本实施例中数据传输系统结构图。如图4所示，本实施例中，光线路终端(Optical Line Terminal，OLT)基于安全密钥(Secure Key，SK)对PRBS进行QAM调制及星座整形混沌加密，将加密后的QAM序列进行厄米共轭变换后执行逆快速傅里叶变换(InverseFast Fourier Transform，IFFT)并添加循环前缀(Cyclic Prefix，CP)。得到的信号经过数模转换器(Digital to Analog Converter，DAC)转换后再通过强度调制器(IntensityModulator， IM)调制到激光二极管(Laser diode，LD)产生的光信号上。经过单模光纤(Single-Mode Fiber， SMF)传输、功率分配/耦合器(Power Splitter/Coupler，PSC)分路以及可调光衰减器(Tunable Optical Attenuator，TOA)的衰减后，利用光电检测器(Photodetector，PD)进行检测。最后由模数转换器(Analog to Digital Converter，ADC)转换成电域的数字信号后，由光网络单元(Optical Network Unit，ONU)执行星座整形混沌解密，即前述过程的逆过程以恢复出原始信号(PRBS)。若SK错误，则ONU为非法光网络单元。其中星座整形混沌解密过程在S106中详述。

S106：星座整形混沌解密：

在接收端检测到的是经过了星座整形混沌加密的信号，为恢复原始信号需对接收到的信号先后执行GS和PS的逆过程，即几何恢复(Geometric Recovery，GP)和概率恢复(Probability Recovery，PR)。在GR过程中，利用混沌系统密钥Key生成和发送端相同的离散混沌序列。对于含G个QAM符号的小组Φ

本实施例中，对于连续G个QAM符号，分别用X＝{0,1,2}与对应的混沌子序列模加的结果对相位进行恢复，即逆向旋转。计算恢复的坐标与标准16-QAM坐标的最小欧氏距离，再计算出在不同X下G个QAM符号的欧氏距离总和D

Pos

其中Pos

含T个QAM的分组Ψ

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。