一种基于三维概率成型的混沌加密方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于三维概率成型的混沌加密方法，包括以下步骤：对待加密的数据进行串并变化后，将数据映射到三维概率成型的各个星座点上；利用蔡氏电路的混沌模型和洛伦兹混沌模型对三维概率成型的星座图进行掩蔽；其中，根据各个星座点到原点的不同距离，分别采用蔡氏混沌模型和洛伦兹模型进行掩蔽，使三维概率成型的星座图变成两个球壳状。本发明专利技术能够通过球状三维概率成型后，可以使得整个系统的发射功率大大降低，概率成型后的新的载波将会具有高斯型能量分布，更加适合光信号在光纤信道的传输；利用蔡氏电路模型和洛伦兹模型进行混沌映射，相比传统的掩蔽方式，具有良好的加密效果，并且提供了更大的密钥空间和更大的灵活性。

A chaos encryption method and system based on 3D probability shaping

【技术实现步骤摘要】
一种基于三维概率成型的混沌加密方法和系统
本专利技术涉及光通信传输
，具体而言涉及一种基于三维概率成型的混沌加密方法和系统。
技术介绍
光通信技术以其传输容量大、传输速度快、可实现长距离传输等特点，在我们的信息化产业中发挥着重要作用。随着5G、4K视频、云计算等业务的不断发展，未来网络流量将保持超过25％的速度增长，巨大的信息容量需求不断催动长距离骨干网络和短距离光传输系统的发展，光通信系统扩容是一个永恒的话题。概率成形技术是一种新型的编码调制格式，可在系统架构的基础上扩大光通信系统的传输容量。概率成形技术的基本原理是在维持星座图中星座点几何位置不变的情况下，通过增加星座图中内圈能量较低的星座点的发射概率，降低外圈能量较高的星座点的发射概率，从而可在星座图中最小欧式距离不变的情况下有效的降低整个星座图的平均能量。在信噪比不变的情况下，信号发射功率越小，整个系统的抗噪声能力越强，因此概率成形可实现信噪比功率的有效提升，使系统容量更接近信道的香农极限。概率成形还可以实现系统的灵活速率变化。概率成形可以通过调节概率分布使信号具有不同的信息熵，从而在同一个系统实现灵活速率的变化，可应用于宽带光接入技术以应对不同用户的灵活速率接入与动态资源分配。因此，探索基于概率成形的宽带光接入关键技术受到国内外的广泛关注，已经成为光通信
中的一个重要课题。该课题的研究对未来高速率长距离大容量光网络以及短距离的光传输系统的发展具有长远而重大的意义。同时，在光纤通信传输容量不断提升的前提下，光纤通信的安全问题愈发引起人们的关注。目前主要的加密有激光混沌加密技术和数字混沌方式来提高系统的安全性，但是利用激光混沌的加密方法，要求接收端和发射端的激光器可以快速同步并且需要较大的可用带宽，目前激光器的同步性能和带宽并不能满足需求。而数字混沌利用数字混沌的方式产生密钥对数据进行加密，由于数字信号处理具有较高的灵活性，在信号处理的过程中也相对比较简单而得到了广泛的使用。在光纤通信传输容量不断提升的前提下，光纤通信的安全问题愈发引起人们的关注。同时，传统的二维概率成型技术已经接近最优解，物理层的加密已经引起了广泛的研究。因此，亟需在三维概率成型的基础上，对物理层进行加密，以有效提升系统的误码率。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种基于三维概率成型的混沌加密方法和系统，将原始二进制数据进行串并变化和星座映射后，进行星座掩蔽，利用三维概率成型对子星座图进行非均匀调制。通过球状三维概率成型后，可以使得整个系统的发射功率大大降低，而且概率成型后的新的载波将会具有高斯型能量分布，更加适合光信号在光纤信道的传输。同时，利用蔡氏电路模型和洛伦兹模型进行混沌映射，相比传统的掩蔽方式，具有良好的加密效果，并且提供了更大的密钥空间和更大的灵活性。为达成上述目的，结合图1，本专利技术提出一种基于三维概率成型的混沌加密方法，所述混沌加密方法包括以下步骤：S1，对待加密的数据进行串并变化后，将数据映射到三维概率成型的各个星座点上；S2，利用蔡氏电路的混沌模型和洛伦兹混沌模型对三维概率成型的星座图进行掩蔽；其中，根据各个星座点到原点的不同距离，分别采用蔡氏混沌模型和洛伦兹模型进行掩蔽，使三维概率成型的星座图变成两个球壳状。作为其中的一种优选例，步骤S2中，所述根据各个星座点到原点的不同距离，分别采用蔡氏混沌模型和洛伦兹模型进行掩蔽是指：采用洛伦兹变换所产生的掩蔽向量对处于外部的星座点进行掩蔽，采用蔡氏电路模型所产生的掩蔽向量对处于内部的星座点进行掩蔽，并且不同的星座点被分配有不同的初始值所产生不同掩蔽向量进行掩蔽；其中，当星座点到原点的距离大于设定距离阈值时，将其定义成处于外部，否则，将其定义成处于内部。作为其中的一种优选例，步骤S2中，采用蔡氏混沌模型进行掩蔽的过程包括：S201，设定蔡氏电路模型为：f(x)＝bx+0.5(a-b)(|x+1|-|x-1|)式中，α、β、a、b是常量，x、y、z、t为变量；S202，计算得到三个混沌序列(x,y,z)；S203，结合得到的三个混沌序列(x,y,z)，采用下述公式生成对应的掩蔽向量：式中，α*、β*、γ*分别代表所产生的蔡氏混沌序列与x,y,z轴的夹角。作为其中的一种优选例，步骤S2中，采用洛伦兹模型进行掩蔽的过程包括：S211，设定洛伦兹模型为：式中，A、B、C是常量，x、y、z、t为变量；S212，计算得到三个混沌序列(x1,y1,z1)；S213，结合得到的三个混沌序列，采用下述公式生成对应的掩蔽向量：式中，分别代表所产生的洛伦兹混沌序列与x,y,z轴的夹角。作为其中的一种优选例，所述混沌加密方法还包括以下步骤：S3，利用CAP调制的滤波器组对加密后的信号进行整形后发送至光纤进行传输。作为其中的一种优选例，所述混沌加密方法还包括以下步骤：S4，接收经光纤传输过来的信号光，对其进行包括色散补偿和采样在内的数字信号处理，采用匹配滤波器对采样得到的信号光进行滤波处理；S5，对数据对应的立方星座掩蔽进行解匹配，对解匹配结果依次执行并串变化和时隙解映射处理，得到原始二进制数据。作为其中的一种优选例，所述混沌加密方法还包括以下步骤：S6，计算接收到的数据的误码率，分析整个系统的性能。本专利技术所提及的基于三维概率成型的混沌加密方法的整体流程如下：在发射端，首先对数据进行串并变化，然后将数据映射到各个星座点上。利用蔡氏电路的混沌模型和洛伦兹混沌模型来对三维概率成型的星座图进行掩蔽。根据各个星座点到原点的不同距离，分别使用蔡氏混沌模型和洛伦兹模型进行掩蔽，这样，三维概率成型的星座图将会变成两个球壳。然后，利用CAP调制的滤波器组对掩蔽的符号进行整形后进入25km光纤进行传输。在接收端，利用CAP匹配滤波器组来对信号进行处理，同时利用原始的蔡氏电路和洛伦兹模型的密钥来对混沌星座图进行解密。将接收端解密后的信号与发射端进行比对从而计算系统误码率，从而判断系统性能。本专利技术还提及一种基于三维概率成型的混沌加密系统，所述混沌加密系统包括时隙映射单元、串并变化单元、立方星座掩蔽单元、三维概率成型单元，以及掩蔽向量生成模块；所述时隙映射单元、串并变换单元、立方星座掩蔽单元、三维概率成型单元依次连接，所述掩蔽向量生成模块的输出端与立方星座掩蔽单元的其中一个输入端连接，时隙映射单元的输入端与信号发送端连接；所述时隙映射单元和串并变换单元用于对待加密的数据进行串并变化后，将数据映射到三维概率成型的各个星座点上；所述掩蔽向量生成模块用于利用蔡氏电路的混沌模型和洛伦兹混沌模型生成对应的掩蔽向量；所述立方星座掩蔽单元结合掩蔽向量生成模块发送的掩蔽向量，对三维概率成型的星座图进行掩蔽，并且不同的星座点被分配有不同的初始值所产生不同掩蔽向量进行掩蔽；...

【技术保护点】
1.一种基于三维概率成型的混沌加密方法，其特征在于，所述混沌加密方法包括以下步骤：/nS1，对待加密的数据进行串并变化后，将数据映射到三维概率成型的各个星座点上；/nS2，利用蔡氏电路的混沌模型和洛伦兹混沌模型对三维概率成型的星座图进行掩蔽；/n其中，根据各个星座点到原点的不同距离，分别采用蔡氏混沌模型和洛伦兹模型进行掩蔽，使三维概率成型的星座图变成两个球壳状。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于三维概率成型的混沌加密方法，其特征在于，所述混沌加密方法包括以下步骤：
S1，对待加密的数据进行串并变化后，将数据映射到三维概率成型的各个星座点上；
S2，利用蔡氏电路的混沌模型和洛伦兹混沌模型对三维概率成型的星座图进行掩蔽；
其中，根据各个星座点到原点的不同距离，分别采用蔡氏混沌模型和洛伦兹模型进行掩蔽，使三维概率成型的星座图变成两个球壳状。


2.根据权利要求1所述的基于三维概率成型的混沌加密方法，其特征在于，步骤S2中，所述根据各个星座点到原点的不同距离，分别采用蔡氏混沌模型和洛伦兹模型进行掩蔽是指：
采用洛伦兹变换所产生的掩蔽向量对处于外部的星座点进行掩蔽，采用蔡氏电路模型所产生的掩蔽向量对处于内部的星座点进行掩蔽，并且不同的星座点被分配有不同的初始值所产生不同掩蔽向量进行掩蔽；
其中，当星座点到原点的距离大于设定距离阈值时，将其定义成处于外部，否则，将其定义成处于内部。


3.根据权利要求2所述的基于三维概率成型的混沌加密方法，其特征在于，步骤S2中，采用蔡氏混沌模型进行掩蔽的过程包括：
S201，设定蔡氏电路模型为：









f(x)＝bx+0.5(a-b)(|x+1|-|x-1|)
式中，α、β、a、b是常量，x、y、z、t为变量；
S202，计算得到三个混沌序列(x,y,z)；
S203，结合得到的三个混沌序列(x,y,z)，采用下述公式生成对应的掩蔽向量：



式中，α*、β*、γ*分别代表所产生的蔡氏混沌序列与x,y,z轴的夹角。


4.根据权利要求2所述的基于三维概率成型的混沌加密方法，其特征在于，步骤S2中，采用洛伦兹模型进行掩蔽的过程包括：
S211，设定洛伦兹模型为：









式中，A、B、C是常量，x、y、z、t为变量；
S212，计算得到三个混沌序列(x1,y1,z1)；
S213，结合得到的三个混沌序列，采用下述公式生成对应的掩蔽向量：



式中，分别代表所产生的洛伦兹混沌序列与x,y,z轴的夹角。


5.根据权利要求1-4任意一项中所述的基于三维概率成型的混沌加密方法，其特征在于，所述混沌加密方法还包括以下步骤：
S3，利用CAP调制的滤波器组对加密后的信号进行整形后发送至光纤进行传输。


...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘博，忻向军，任建新，毛雅亚，陈帅东，王瑞春，沈磊，李良川，周锐，王光全，吴泳锋，孙婷婷，赵立龙，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32