一种基于金字塔星座魔方加密的光传输方法及系统

技术领域

本发明属于光传输技术领域，具体涉及基于金字塔星座魔方加密的光传输方法及系统。

背景技术

随着互联网行业的蓬勃生长，人们对数字通信宽带业务的需求开始呈爆炸式增长，未来还会呈现不可预估的提高。然而随着光网络容量呈指数级快速增长和访问性增加带来的安全问题也尤其值得我们关注。

与现在所流行的相干光通信系统相比，基于无载波幅度和相位调制的无源光网络(CAP-PON)，具有高传输速率、低复杂度、带宽灵活和大容量的优势，被认为是下一代光接入网络体系的理想架构之一。然而，PON体系的特殊架构带来了一些安全问题，在光网络上层进行加密存在天然的缺陷，仅仅在光网络上层加密进行根本确保不了整个PON系统的安全。

发明内容

本发明提供了一种基于金字塔星座魔方加密的光传输方法及系统，利用四维超混沌映射生成四个掩蔽因子，实现多个维度的高安全加密，有效提高了光传输的安全性，降低了复杂性，有效地提高了光传输的抗干扰能力和误码性能。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明第一方面提供了一种基于金字塔星座魔方加密的光传输方法，包括：

对原始数据进行串/并变换，获得三维输入信号；

将三维输入信号映射到三维星座图进行映射加密处理，同时进行几何整形，获得三维整形信号；

对三维整形信号进行金字塔星座魔方加密，获得是三维加密信号；对三维加密信号进行上采样后，输入至成形滤波器进行滤波获得三维滤波信号，将三维滤波信号合并为传输信号；

通过光纤信道将传输信号送至接收端，对所述传输信号进行解调获得原始数据。

优选的，对所述传输信号进行解调获得原始数据的方法包括：

将数据传输信号进行解调，获得三维输出信号；将三维输出信号输入至匹配滤波器后进行下采样，获得三维加密信号；通过金字塔星座魔方对三维加密信号进行解密，得到三维整形信号；对三维整形信号进行反向几何整形及反向星座映射，获得三路输入信号；将三路输入信号进行串/并变换，获得原始数据。

优选的，将三路输入信号映射到三维星座图进行映射加密处理，同时进行几何整形的方法包括：

将三路输入信号中每4个比特对应一个星座点；将十六个星座点映射到金字塔星座魔方组成的三维星座结构，利用4D超混沌模型来对星座点进行加密，基于4D超混沌模型的变量计算遮掩因子，所述遮掩因子用于对三维整形信号进行金字塔星座魔方加密。

优选的，将十六个星座点映射到金字塔星座魔方组成的三维星座结构的方法包括：

将十六个星座点映射到金字塔星座魔方中除去顶点的节点上；所述金字塔星座魔方设置为正三棱锥，所述金字塔星座魔方设置为三层并设置有20节点；所述金字塔星座魔方的20节点中包含四个顶点。

优选的，利用4D超混沌模型来对星座点进行加密，表达公式为：

公式中，(a，b，c，d，r)为参数，(α

优选的，基于4D超混沌模型的变量计算遮掩因子的方法包括：

T

T

T

T

公式中，T

优选的，根据遮掩因子T

建立直角坐标系并设置金字塔魔方的四个顶点分别为O1、O2、O3和O4；

当T

当T

公式中，(x'

将三维星座结构绕z轴逆时针翻转120度，表示公式为：

公式中，(x

当T

优选的，根据遮掩因子T

当遮掩因子T

当遮掩因子T

当遮掩因子T

优选的，根据遮掩因子T

当遮掩因子T

当遮掩因子T

当遮掩因子T

优选的，根据遮掩因子T

当遮掩因子T

当遮掩因子T

当遮掩因子T

本发明第二方面提供了一种基于金字塔星座魔方加密的光传输系统，包括：

串/并变换模块，用于对原始数据进行串/并变换，获得三维输入信号；

星座映射模块，用于将三维输入信号映射到三维星座图进行映射加密处理，同时进行几何整形，获得三维整形信号；

魔方加密模块，用于对三维整形信号进行金字塔星座魔方加密，获得是三维加密信号；对三维加密信号进行上采样后，输入至成形滤波器进行滤波获得三维滤波信号，将三维滤波信号合并为传输信号；

传输模块，用于通过光纤信道将传输信号送至接收端，对所述传输信号进行解调获得原始数据。

优选的，所述接收端包括：

解调模块，用于将数据传输信号进行解调，获得三维输出信号；

将三维输出信号输入至匹配滤波器后进行下采样，获得三维加密信号；

魔方解密模块，通过金字塔星座魔方对三维加密信号进行解密，得到三维整形信号；

星座解密模块，用于对三维整形信号进行反向几何整形及反向星座映射，获得三路输入信号；

反向串/并变换模，用于将三路输入信号进行串/并变换，获得原始数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明将三维输入信号映射到三维星座图进行映射加密处理，同时进行几何整形，获得三维整形信号；本发明中三维星座图的星座增益指数很高，有着很高的抗噪性能，可以有效提升系统的传输能力。对三维整形信号进行金字塔星座魔方加密，对星座点的位置进行翻转和旋转变化，获得是三维加密信号；实现对于星座图的加密，可以有效提升系统的安全性能。

附图说明

图1是实施例1提供的基于金字塔星座魔方加密的光传输方法的流程图；

图2是实施例1提供的三维星座图的结构图；

图3是实施例1提供的当T

图4是实施例1提供的当T

图5是实施例1提供的当T

图6是实施例1提供的根据遮掩因子T

图7是实施例1提供的根据遮掩因子T

图8是实施例1提供的根据遮掩因子T

图9是实施例1提供的加密前图像；

图10是实施例1提供的加密前图像的直方图；

图11是实施例1提供的加密后图像；

图12是实施例1提供的加密后图像的直方图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，本实施提供了一种基于金字塔星座魔方加密的光传输方法，包括：

对原始数据进行串/并变换，获得三维输入信号；

如图2所示，将三维输入信号映射到三维星座图进行映射加密处理的方法包括：

将三路输入信号中每4个比特对应一个星座点；将十六个星座点映射到金字塔星座魔方中除去顶点的节点上；所述金字塔星座魔方设置为正三棱锥，所述金字塔星座魔方设置为三层并设置有20节点；所述金字塔星座魔方的20节点中包含四个顶点。

将三维输入信号映射到三维星座图进行映射加密处理后进行几何整形，获得三维整形信号；利用4D超混沌模型来对星座点进行加密，表达公式为：

公式中，(a，b，c，d，r)为参数，(α

基于4D超混沌模型的变量计算遮掩因子的方法包括：

T

T

T

T

公式中，T

根据遮掩因子T

如图3至图5所示，建立直角坐标系并设置金字塔魔方的四个顶点分别为O1、O2、O3和O4；

当T

当T

公式中，(x'

将三维星座结构绕z轴逆时针翻转120度，表示公式为：

公式中，(x

当T

如图6至图8所示，根据遮掩因子T

当遮掩因子T

(x

当遮掩因子T

当遮掩因子T

对三维整形信号进行金字塔星座魔方加密后获得是三维加密信号；对三维加密信号进行上采样后，输入至成形滤波器进行滤波获得三维滤波信号，将三维滤波信号合并为传输信号；

通过光纤信道将传输信号送至接收端，对所述传输信号进行解调获得原始数据的方法包括：

将数据传输信号进行解调，获得三维输出信号；将三维输出信号输入至匹配滤波器后进行下采样，获得三维加密信号；通过金字塔星座魔方对三维加密信号进行解密，得到三维整形信号；对三维整形信号进行反向几何整形及反向星座映射，获得三路输入信号；将三路输入信号进行串/并变换，获得原始数据。

如图9所示，本实施例中将大熊猫图像作为加密前的图像，所述加密前图像的直方图如图10所示，在拥有正确密钥的合法接收端，图像恢复的没有错误，然而，在非法接收端由于没有正确的密钥，收到的加密图像和直方图如图11和图12所示，图像很模糊，灰色直方图分布也很均匀，没有任何有用的信息可以采取；实现对于星座图的加密，极大地提高了系统的安全性能和系统的传输性能。

实施例2

本实施例提供了一种基于金字塔星座魔方加密的光传输系统，本实施例中的光传输系统可以应用于实施例1所述的光传输方法，系统包括：

串/并变换模块，用于对原始数据进行串/并变换，获得三维输入信号；

星座映射模块，用于将三维输入信号映射到三维星座图进行映射加密处理，同时进行几何整形，获得三维整形信号；

魔方加密模块，用于对三维整形信号进行金字塔星座魔方加密，获得是三维加密信号；对三维加密信号进行上采样后，输入至成形滤波器进行滤波获得三维滤波信号，将三维滤波信号合并为传输信号；

传输模块，用于通过光纤信道将传输信号送至接收端，对所述传输信号进行解调获得原始数据。

所述接收端包括：

解调模块，用于将数据传输信号进行解调，获得三维输出信号；

将三维输出信号输入至匹配滤波器后进行下采样，获得三维加密信号；

魔方解密模块，通过金字塔星座魔方对三维加密信号进行解密，得到三维整形信号；

星座解密模块，用于对三维整形信号进行反向几何整形及反向星座映射，获得三路输入信号；

反向串/并变换模，用于将三路输入信号进行串/并变换，获得原始数据。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。