基于立方星座掩蔽及三维光子概率成型的数据传输方法技术

本发明专利技术涉及一种基于立方星座掩蔽及三维光子概率成型的数据传输方法，包括以下步骤：将原始的二进制数据映射为多级符号，经过串并变化后，将获得的多载波分为多个子载波；再对各个子载波进行立方星座掩蔽，经过立方星座掩蔽后的子载波星座图将变成一个球形；然后将新产生的球状子载波星座图进行三维概率成型；再通过滤波器组对三维概率成型后的各个子载波的信号进行整形；然后将整形后的子载波统一进行多载波掩蔽；最后将多载波掩蔽后的各个子载波整合，通过信道发出。本发明专利技术能有效提高安全密钥的复杂度，降低系统的发射功率，从而提高系统性能。

Data transmission method based on cube constellation masking and 3D photon probability shaping

【技术实现步骤摘要】
基于立方星座掩蔽及三维光子概率成型的数据传输方法
本专利技术涉及通信
的光传输技术，尤其涉及基于立方星座掩蔽及三维光子概率成型的数据传输方法。
技术介绍
随着云计算、高清视频、大数据、虚拟现实技术等业务的飞速发展，人们对于网络带宽的需求也不断增长，在波长、频率、偏振等各个维度均被复用后，使得光网络的容量不断接近香农极限。而基于空间复用的模分复用技术可以利用多模多芯光纤将传输速率达到p比特量级。同时，多载波技术在光网络中受到越来越多的关注。多载波技术可以提供较大的容量和灵活的带宽。一系列的多载波技术如光正交频分复用(OFDM)和波分复用(WDM)等相继被提出。OFDM系统的最大的优势在于它的信号无论是在时域还是频域都是相互正交的，可以有效提高系统的频谱效率，而且OFDM系统能够有效的对抗选择性衰弱和窄带干扰。整个系统的结构也相对比较简单，调制方式的选择也比较灵活。但是，OFDM系统为了消除码间干扰(ISI)，需要在信号中加入循环前缀(CyclicPrefix,CP),这会导致数据传输效率的降低。其次，OFDM通信系统中有着较大的旁瓣和带外泄露，大大的损耗了光信号，OFDM系统也十分容易受到载波频移和相位噪声的影响。滤波器组多载波(FBMC)通过利用特殊设计的原型滤波器，可以保证其子载波信道的独立性，不再需要循环前缀，提高了系统的传输效率。同时，FBMC系统的带外辐射很小，它的抗干扰能力也比OFDM系统更强。因此FBMC系统有着很大的应用前景。在满足人们日益增长的对网络带宽需求的同时，网络安全越来越引发人们的关注。在网络安全的发展过程中主要有上层信息加密和物理层加密两种方法。物理层加密由于其透明度特性和对数据的全面保护而受到更多的关注。光码分多址(OCDM)和混沌加密技术得到了广泛的研究。基于混沌的方案由于不可预测的随机性和对初始值的高灵敏度而受到高度重视。随着数字信号处理(DSP)技术的发展，在光学系统中实现物理层加密变得更加方便,因此物理层的加密有着十分广阔的应用前景。对于传统的物理层的加密方法，都是基于二维星座图，通过改变二维星座点的位置来实现加密，其密钥空间以及加密的灵活性都相对较差。因此本专利提出了新型的三维星座加密方式，即立方星座掩蔽的加密方式，通过对星座点位置在三维空间的改变，使之旋转成一个球壳，这种加密方式可以有效提升加密的灵活性，密钥空间也将得到很大的提高。但是，对于普通的三维加密方式而言，由于在三维空间中过于分散，会存在许多离坐标原点过远的星座点，因此在判决过程中很容易将这些星座点误判，最终导致系统误码率的提升，影响系统的传输性能。在这样的背景下，本专利在立方星座掩蔽的基础上提出了三维光子概率成型的传输方法，通过将距离原点过远的星座点压缩至距离原点较近的位置，从而在判决过程中减少误判，降低误码率，进而提升系统性能。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是针对
技术介绍
提出的问题，提供一种基于立方星座掩蔽及三维光子概率成型的数据传输方法，该方法通过立方星座掩蔽可以使得星座空间成为一个球形，难以识别原始数据，并且安全密钥由不同块的无序映射的初始值和参数、间隔参数以及不同维度上的符号流的时间延迟组成，安全密钥的复杂度较高，对于原始数据的保密性能更好。同时，我们利用三维概率成型技术对进行立方星座掩蔽后的球状星座图进行压缩，降低能量较高的点的发射概率，提高能量较低的内部的星座点的发射概率，提高系统的频谱效率，降低系统的发射功率，从而提高系统性能。为实现上述技术目的，本专利技术采取的技术方案为：一种基于立方星座掩蔽及三维光子概率成型的数据传输方法，包括以下步骤：步骤一、将原始的二进制数据映射为多级符号，经过串并变化后，将获得的多载波分为多个子载波；步骤二、对各个子载波进行立方星座掩蔽，经过立方星座掩蔽后的子载波星座图将变成一个球形；步骤三、将新产生的球状子载波星座图进行三维概率成型；步骤四、通过滤波器组对三维概率成型后的各个子载波的信号进行整形；步骤五、将整形后的子载波统一进行多载波掩蔽；步骤六、将多载波掩蔽后的各个子载波整合，通过信道发出。为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：上述的步骤一中，原始的二进制数据通过时隙映射单元进行时隙三维映射，将一维的数据流变为三维的载波流，三维的载波流再经串并变化单元进行串并变化后，利用分束器将多载波分为多个子载波。上述的步骤二中，各个子载波通过立方星座掩蔽模块进行立方星座掩蔽，立方星座掩蔽模块包括蔡氏电路模型，立方星座掩蔽的掩蔽向量将由基于蔡氏电路模型的混沌映射产生，混沌映射的符号被分离成不同的块用于立方体星座掩蔽，不同的块被分配有不同的初始值以产生不同掩蔽向量，具体的立方星座掩蔽方法为：f(x)＝bx+0.5(a-b)(|x+1|-|x-1|)其中,α,β,a,b是常量，x,y,z,t为变量；由这个模型，我们可以得到三个混沌序列(x,y,z),由此产生掩蔽向量，其中(x,y)用于立方星座掩蔽，z用于步骤五中的多载波掩蔽；将映射的符号分成不同的子载波，以进行立方体星座掩蔽，用不同的初始值分配不同的子载波来产生掩蔽向量，第k个子载波的符号可以表示为：其中，dk,1,dk,2,dk,3，表示输入的三维符号，r,Δθ,分别表示在空间中三维符号距离原点的距离，倾斜角和方向角；假设第k个子载波上的立方星座掩蔽向量是ωk,j，那么经过星座掩蔽后的向量则表示为：其中，ωk,j＝Arg(x′k,j+i*y′k,j)+Arg(Sk(-τj))，τj代表符号流的时间延迟，i为虚部单位，Sk表示原始三维符号的位置，在立方体星座掩蔽之后，子载波星座空间就会变成球形。上述的步骤五中，将整形后的子载波输入多载波掩蔽单元，多载波掩蔽单元用于产生GFBMC/CAP信号，假定子载波数为K，则掩蔽向量可以表示为:ω'＝mod(floor(((z+1)/2×102),K)其中ω'定义了多载波的索引，z表示由蔡氏混沌模型所产生的混沌序列，从而掩蔽频率为fk上的信号，经过多载波掩蔽后的子载波可以表示为：S″k＝S′kArg(S′ω')S″k、S′k、S′ω'分别表示立方星座掩蔽后的符号位置，标号为ω'的子载波的符号位置,以及经过多载波掩蔽后的最终的三维符号的位置。上述的步骤六中，经过多载波掩蔽后的子载波信号通过合束器整合，所述的信道为19芯4模光纤，整合后的载波经数模转换器转换为电信号后，与激光器生成的光源在调制器中进行电光调制，从而产生光信号，光信号经光学滤波器和掺铒光纤放大器后，进入19芯4模光纤传输。上述的光信号经信道的出口端输出，光信号被光电探测器接收，再经数字信号处理器对信号光进行色散补偿，然后经匹配滤波器组滤波后，经立方星座掩蔽解匹配器进行解匹配，最后进行并串变化和时隙解映射，得到接收到的二进制数据。上述的19芯4模光纤的传输速率达到100Tbit/s，从而实现p比特量级的传输。本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于立方星座掩蔽及三维光子概率成型的数据传输方法，其特征是：包括以下步骤：/n步骤一、将原始的二进制数据映射为多级符号，经过串并变化后，将获得的多载波分为多个子载波；/n步骤二、对各个子载波进行立方星座掩蔽，经过立方星座掩蔽后的子载波星座图将变成一个球形；/n步骤三、将新产生的球状子载波星座图进行三维概率成型；/n步骤四、通过滤波器组对三维概率成型后的各个子载波的信号进行整形；/n步骤五、将整形后的子载波统一进行多载波掩蔽；/n步骤六、将多载波掩蔽后的各个子载波整合，通过信道发出。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于立方星座掩蔽及三维光子概率成型的数据传输方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤一、将原始的二进制数据映射为多级符号，经过串并变化后，将获得的多载波分为多个子载波；
步骤二、对各个子载波进行立方星座掩蔽，经过立方星座掩蔽后的子载波星座图将变成一个球形；
步骤三、将新产生的球状子载波星座图进行三维概率成型；
步骤四、通过滤波器组对三维概率成型后的各个子载波的信号进行整形；
步骤五、将整形后的子载波统一进行多载波掩蔽；
步骤六、将多载波掩蔽后的各个子载波整合，通过信道发出。


2.根据权利要求1所述的一种基于立方星座掩蔽及三维光子概率成型的数据传输方法，其特征是：步骤一中，原始的二进制数据通过时隙映射单元进行时隙三维映射，将一维的数据流变为三维的载波流，三维的载波流再经串并变化单元进行串并变化后，利用分束器将多载波分为多个子载波。


3.根据权利要求1所述的一种基于立方星座掩蔽及三维光子概率成型的数据传输方法，其特征是：步骤二中，各个子载波通过立方星座掩蔽模块进行立方星座掩蔽，立方星座掩蔽模块包括蔡氏电路模型，立方星座掩蔽的掩蔽向量将由基于蔡氏电路模型的混沌映射产生，混沌映射的符号被分离成不同的块用于立方体星座掩蔽，不同的块被分配有不同的初始值以产生不同掩蔽向量，具体的立方星座掩蔽方法为：



f(x)＝bx+0.5(a-b)(|x+1|-|x-1|)
其中,α,β,a,b是常量，x,y,z,t为变量；由这个模型，我们可以得到三个混沌序列(x,y,z),由此产生掩蔽向量，其中(x,y)用于立方星座掩蔽，z用于步骤五中的多载波掩蔽；将映射的符号分成不同的子载波，以进行立方体星座掩蔽，用不同的初始值分配不同的子载波来产生掩蔽向量，第k个子载波的符号可以表示为：



其中，dk,1,dk,2,dk,3，表示输入的三维符号，r,Δθ,分别表示在空间中三维符号距离原点的距离，倾斜角和方向角；
假设第k个子载波上的立方...

【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