针对FSO数据传输的混沌区域优化星座图概率整形方法技术

本发明专利技术涉及一种针对FSO数据传输的混沌区域优化星座图概率整形方法，属于通信网络技术领域。该方法是生成伪随机序列，并将其进行分组；将16QAM星座图划分为四个象限，每个象限划分成四个小区域，统计每组各个象限中各小区域中QAM符号的数量，按照大小排序，之后对每个象限中的各小区域的星座进行置换。将置换后得到的置换信息进行编码，并把编码后的置换信息嵌入信息序列之后。之后利用混沌方程生成混沌序列，将混沌序列与生成的整形序列进行一定的运算，将各个星座点进行旋转加密，最后进行调制发送，经过FSO湍流信道，接收端进行反解密，再提取相关置换信息比特序列，对整形序列进行解概率整形，最终恢复其原信息序列。最终恢复其原信息序列。最终恢复其原信息序列。

【技术实现步骤摘要】
针对FSO数据传输的混沌区域优化星座图概率整形方法


[0001]本专利技术属于通信网络
，涉及一种针对FSO数据传输的混沌区域优化星座图概率整形方法。

技术介绍

[0002]近年来，高清电视、移动可视电话、视频会议、高速互联网接入等新兴宽带业务的出现，使得终端用户对高质量多媒体服务的需求与日俱增，预计在未来十年中，对接入网更高带宽的需求将更快增长。混合同轴电缆和宽带射频/微波无线技术、光纤电缆、光纤到户等是目前用于满足终端用户通信需求的主要技术。但由于铜/同轴电缆和射频蜂窝/微波技术存在带宽受限、频谱拥塞和安全问题等，所以网络运营商正开始部署新的基于光纤的接入网，这些网络向客户提供的带宽正在急剧增加。理论上基于光纤的网络能提供无限的带宽，但在实际中，可用的架构选择、设备和组件的兼容性、网络设备的性能限制以及完整系统的部署等各种条件限制导致了最终向用户提供的容量十分有限。
[0003]自由空间光通信(FSO)作为一种革新意义的技术，其具有高带宽、免费的频谱资源、安全性高、低成本、易部署等特点，可应用于地面链路、深空/星间链路、无人机、高空平台，以及空间平台、飞机和其他地面固定/移动终端之间的上行和下行链路等，因此受到了广泛的关注。尽管FSO系统具有很多的优点，但其性能会受到不可预测的大气条件的影响，例如大气吸收、散射、湍流等。其中大气湍流是一个主要因素，它可能会导致链路性能严重退化，使通信链路无法满足要求。如何在湍流大气中提高无线光通信链路的通信性能是目前面临的重大挑战。
[0004]已有研究表明，FSO系统并非绝对安全，它仍有可能遭遇非法入侵。当窃听者隐藏在与主接收器相同的建筑物的顶部时，就可能会发生在FSO系统环境中的窃听。而当前FSO的研究领域对安全相关方向研究较少，有待进一步研究提升FSO的安全性能。混沌理论是关于非线性系统在一定参数条件下展现分岔、周期运动与非周期运动相互纠缠，以至于通向某种非周期有序运动的理论。由于其具有高度的初值敏感性，对于细微的初始条件的变动也可以导致最终状态产生巨大差别。其独特的性质使得它比传统的加密方法具有更好的安全性能，因此已广泛应用于密码学中。
[0005]星座概率整形作为一种新兴的调制编码技术，通过将均匀分布的星座图编码转换为类麦克斯韦分布，从而进一步提高系统容量、降低发送功率，改善系统性能，近年来已成为国内外广泛研究的热点。常见的概率整形方案是CCDM算法，但其整形方案算法复杂度高，冗余度高，可行性相对不足。因此寻求一种低算法复杂度、低冗余的概率整形方案具有很强的必要性。将星座概率整形技术应用于FSO系统来减弱大气湍流带来的影响，提升通信链路性能具有非常强的可行性。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种针对FSO数据传输的混沌区域优化星座图
概率整形方法，解决现有FSO系统的安全性存在隐患与通信链路受湍流影响较大的问题。
[0007]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]一种针对FSO数据传输的混沌区域优化星座图概率整形方法，具体包括以下步骤：
[0009]S1：对伪随机位序列进行正交幅度调制映射，并将映射后的符号序列按照一定的数量值来进行分组；
[0010]具体是：生成长度为4L的伪随机序列S，并将其进行分组，表示为4L＝4N
×
M，其中N表示每组符号序列长度，4N表示比特序列长度，M表示分组数量；
[0011]S2：将16QAM星座图按照四个象限划分，每个象限划分成四个小区域，统计每个象限中的四个小区域中QAM符号的数量，按照大小排序生成记录其数量分布信息的序列；
[0012]具体是：将16QAM星座图划分为四个象限A，B，C，D，再将每个象限划分为四个小区域(a1、a2、a3、a4，b1、b2、b3、b4，c1、c2、c3、c4，d1、d2、d3、d4)。对每个象限中的各个小区域符号数量进行统计，并按照大小顺序排序。
[0013]S3：对每个象限中的四个小区域的星座进行置换，从而实现概率整形；再将置换后得到的置换信息进行编码，并把编码后的置换信息比特序列嵌入在每组信息序列之后，得到整形序列；
[0014]具体是：将每个象限中各个小区域星座点按照步骤S2中统计的数量大小顺序进行置换，即将星座数量最多的区域置换在a1/b1/c1/d1区域，将星座数量最少的区域置换在a4/b4/c4/d4区域，其余置换在a2/b2/c2/d2、a3/b3/c3/d3区域。并将得到的四个置换信息记为PS1、PS2、PS3、PS4，再将置换信息依次嵌入在信息序列后。
[0015]S4：利用混沌方程生成混沌序列，将混沌序列与步骤S3生成的整形序列进行一定的运算，将各个星座点进行旋转加密；
[0016]S5：发送端将概率整形和旋转加密后的序列进行调制输出，通过FSO信道；
[0017]S6：接收端利用已知混沌序列进行反解密，再提取相关置换信息比特序列，对整形序列进行解概率整形，最终恢复其原信息序列。
[0018]进一步，步骤S4中，利用CHEN混沌方程生成混沌序列，混沌方程如下式所示：
[0019][0020]其中，a,b,c为常数，{x}、{y}、{z}为混沌序列变量；混沌序列CS可以通过下式计算：
[0021]CS＝floor[mod((x+y+z)
×
10
12
,P)][0022]其中，floor表示向下取整，mod表示取模操作，P为需要旋转的相位数(可取2、3、4)；
[0023]进一步，步骤S4中，将16QAM星座点分别旋转0
°
/90
°
/180
°
/270
°
，实现四相位离散星座旋转加密；各星座点的旋转角度θ公式如下：
[0024][0025]进一步，步骤S4中，对星座点进行旋转加密，一个星座符号表示为QS＝m+ni，因此旋转操作可以表示为：
[0026][0027]其中，QS'表示旋转后的星座符号，m、n分别表示实部和虚部。
[0028]本专利技术的有益效果在于：
[0029](1)本专利技术将混沌加密与概率整形方法相结合，兼顾了安全性和通信性能；
[0030](2)本专利技术概率整形方法比高能信号能更频繁的传输低能信号来改进传统QAM；
[0031](3)本专利技术采用了混沌加密的方式，比传统的加密方案具备更好的安全性能；
[0032](4)本专利技术算法整体复杂度较低，可行性较高；
[0033](5)本专利技术算法产生的冗余较少，低于常见的CCDM概率整形方案。
[0034]本专利技术的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本专利技术的实践中得到教导。本专利技术的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种针对FSO数据传输的混沌区域优化星座图概率整形方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：S1：对伪随机位序列进行正交幅度调制映射，并将映射后的符号序列按照一定的数量值来进行分组；S2：将16QAM星座图按照四个象限划分，每个象限划分成四个小区域，统计每个象限中的四个小区域中QAM符号的数量，按照大小排序生成记录其数量分布信息的序列；S3：对每个象限中的四个小区域的星座进行置换，再将置换后得到的置换信息进行编码，并把编码后的置换信息比特序列嵌入在每组信息序列之后，得到整形序列；S4：利用混沌方程生成混沌序列，将混沌序列与步骤S3生成的整形序列进行一定的运算，将各个星座点进行旋转加密；S5：发送端将概率整形和旋转加密后的序列进行调制输出，通过FSO信道；S6：接收端利用已知混沌序列进行反解密，再提取相关置换信息比特序列，对整形序列进行解概率整形，最终恢复其原信息序列。2.根据权利要求1所述的混沌区域优化星座图概率整形方法，其特征在于，步骤S4中，利...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴廷伟，曾伟，刘业君，宋嵩，赵伦，郭磊，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：