[发明专利]一种宽带接入网的噪声辅助加密及信号恢复方法

摘要

本发明公开了一种宽带接入网的噪声辅助加密及信号恢复方法，通过一维logistic映射(混沌映射)得到导频副载波及前同步码的噪声信号即M+1个噪声QAM符号n₁,n₂,…,n_M,n_M+1、以及导频副载波的分布；根据导频副载波的分布进而得到N×N交换矩阵M_sw。加密过程中，通过交换矩阵M_sw将原始信号及噪声信号交换，使得原始信号中不仅插入了噪声信号，而且改变了原始信号的分布；在接收端，加载了噪声信号的前同步码及导频副载波采用发送端相反的方法，将原始信号恢复。本发明在加密过程当中，在有用信号中随机的加入了用于信号恢复的噪声信号，并将原有用信号本身进行了扰乱和重组，没有密钥的话，非法入侵者亦不能从加密信号中获取所有的有用信息。

主权项

一种宽带接入网的噪声辅助加密及信号恢复方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、构建一个密钥，密钥包括混沌序列初始值x₀以及M+2个整数a₁,a₂,…,a_M+1,a_M+2，其中，混沌序列初始值x₀为大于0而小于1的数；构建一个噪声映射表，将(0,1)等分为N个子区域，依次从小到大，编号为1,2,..,N，每个子区域对应一个比特数为n的噪声比特；(2)、在发送端，将密钥中的混沌序列初始值x₀作为一维logistic映射：x_t＝rx_t‑1(1‑x_t‑1)的初始值进行迭代，得到一个混沌序列，其中分岔参数r∈(0,4)，t为迭代次数；2.1)、将密钥中的前M+1个整数a₁,a₂,…,a_M+1分别作为子序列在混沌序列中的起始位置，选取M+1个子序列：$\left\{\begin{array}{c}{X}_1=[x_{a_1},x_{a_1+1},...x_{a_1+w}]\\ X_2=[x_{a_2},x_{a_2+1},...x_{a_2+w}]\\ \·\\ \·\\ X_M=[x_{a_M},x_{a_M+1},...x_{a_M+w-1}]\\ X_{M+1}=[x_{a_{M+1}},x_{a_{M+1}+1},...x_{a_{M+1}+p-1}]\end{array}\right.,$其中$\left\{\begin{array}{c}w=\frac{T\×{\log }_2\left(m\right)}{n}\\ p=\frac{U\×{\log }_2\left(m\right)}{n}\end{array}\right.$其中，下标w和p代表子序列的长度，T和U分别代表OFDM信号数据帧和前同步码中的OFDM符号总数，m是QAM映射的阶数；对于前M+1个子序列X₁,X₂,…,X_M,X_M+1，根据每个子序列中每个元素在噪声映射表中所在的子区域，选取对应的噪声比特即将每个子序列中的元素替换为噪声映射表中该元素所在子区域对应的噪声比特，得到M+1个噪声比特序列，然后分别进行正交振幅调制，得到M+1个噪声QAM符号n₁,n₂,…,n_M,n_M+1，其中，第M+1个噪声QAM符号作为OFDM调制的同步码；2.2)、将密钥中的第M+2个整数a_M+2作为混沌序列中的起始位置，依次选取元素，并根据噪声映射表，转换为元素所在子区域的编号，选取前M个不同的编号b₁,b₂,…,b_M，并作为M个导频副载波分布；从得到的噪声嵌入副载波分布，推导出N×N交换矩阵M_sw：根据选取出前M个不同的编号，依次对N×N单位矩阵进行变换，将N×N单位矩阵的b₁行交换到N‑M+1行，将N×N单位矩阵的b₂行交换到N‑M+2行，…，将N×N单位矩阵的b_M行交换到N行；2.3)、将原始信号与噪声信号组成交换模块的输入信号S_in：$S_{\mathrm{in}}={\left(\begin{array}{c}S\\ H\end{array}\right)}_{1\×N},\left\{\begin{array}{c}S={(c_1,c_2,...,c_{N-M})}^T\\ H={(n_1,n_2,...,n_M)}^T\end{array}\right.$其中，c_i是QAM符号，即原始信号；n_i是噪声QAM符号，即噪声信号；上标元素T表示对给定的矩阵进行转置操作；交换模块对输入信号S_in进行变换得到快速傅里叶逆变换的输入信号表示为：S_IFFT＝M_swS_in，从而将噪声信号交换到被选取的导频副载波的对应位置上，实现对原始信号的噪声辅助加密；2.4)、将第M+1个噪声QAM符号n_M+1分为N个，并分别作为前同步码，组合到快速傅里叶变换输出的N路数据即数据帧中，构成OFDM帧；然后经过调制，得到加密的OFDM信号，并经过马赫曾德调制器调制光载波上，然后经过带通滤波，通过光纤发送到接收端；(3)、在接收端，通过光探测器将光纤接收到的信号进行解调，得到加密的OFDM信号，经过解调，得到OFDM帧；采用步骤(2)的方法获得与发送端相同的M+1个噪声QAM符号n₁,n₂,…,n_M,n_M+1、N×N交换矩阵M_sw；第M+1个噪声QAM符号n_M+1分为N个，并分别作为前同步码进行信道估计，然后将OFDM帧中的数据帧进行快速傅里叶变换，得到信号S_IFFT，然后，将N×N交换矩阵M_sw的逆矩阵与信号S_IFFT相乘，得到输入信号S_in，将输入信号S_in前N‑M个QAM符号抽取出来，得到原始信号，从而完成信号的恢复；同时，将输入信号S_in后M个QAM符号抽取出来，并获得的M个噪声QAM符号n₁,n₂,…,n_M进行比较，进行相位估计和相位恢复。