一种高安全scma少模光接入方法
技术领域：
：1.本发明涉及光接入方法，尤其涉及一种高安全scma少模光接入方法。
背景技术：
：：2.随着5g时代的来临，要求升级接入系统以实现海量的设备接入需求。无源光网络(pon)由于低功耗、高速率以及更广的接入范围而得到广泛关注。现有的接入技术以ofdm(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing即正交频分复用技术)为主，这种接入方案利用载波之间的正交性来实现不同用户的区分。考虑到计算的复杂度，ofdm使用傅里叶变换(fft)来实现载波之间的正交性。由于信道的影响会存在频率的偏移导致载波之间的正交性被破坏，会存在严重的信道串扰(ici).因此需要添加循环前缀(cp)来降低载波之间的相互影响。利用cp可以降低ofdm中的ici，但导致系统频谱效率降低。随着数字信号处理技术(dsp)的发展，基于滤波器组多载波技术(fbmc)被证实可以有效的提升系统的频谱效率。通过设计正交滤波器组可以有效的降低系统的带外泄露。此外，fbmc不需要增加cp来确保载波之间的正交性，从而进一步提升系统的频谱效率。尽管fbmc相比ofdm获得了频谱效率的提升，但是其本质上依然是不同用户占用不同的子载波难以满足5g海量接入的需求。3.从多用户信息论的角度上看，正交的多址接入方式无法逼近系统的容量极限。未来的接入网旨在非常有限的频谱资源条件下快速提高移动数据流量，增加接入用户数目。非正交多址接入(noma)作为5g系统的一项关键技术，利用多路复用技术，使得同一资源可以被更多用户所共享，极大地提高了接入系统容量及频谱效率。noma主要包括两类：一类是基于功率复用的noma(pd-noma)，另一类是编码域的scma(sparsecodemultipleaccess稀疏代码多路存取)。pd-noma根据不同用户的信道条件分配不同的大小功率来实现接入用户数目的提升。这种方法在接收端进行解调时，低功率用户的误码性能取决于高功率用户。当高功率用户的误码性能较差时，低功率用户的误码率将显著提高。相比pd-noma,码域复用的scma获得了更多的关注。scma是将不同用户分配到的不同码字加载到同一资源上，实现频谱效率的提升。由于非正交叠加码字的数量可以远大于正交资源单元的数量，所以在相同的资源范围内，scma可以为更多用户提供服务，从而满足50g接入网大连接的需求。此外，为了进一步提升pon的传输带宽和连接数量，在pon中使用空分复用光纤可以获得对应纤芯和模式数的带宽增益和分支比提升。但模分复用系统由于模式间的耦合需要在接收端高复杂度的配套mimo算法，以及昂贵的器件成本导致在光接入系统中难以得到广泛应用。技术实现要素：4.发明目的：本发明的目的是提供一种能提升接入带宽和数目，同时提高安全性的scma少模光接入方法。5.技术方案：本发明的scma少模光接入方法，包括步骤如下：6.s1,在发射端，将原始信号由6dduffing_lu混沌模型产生混沌序列进行比特加密；7.s2，将加密后的比特流通过scma编码映射到各个码本中，通过oqam映射将信号的实部虚部分开；8.s3，将步骤s2得到的信号调制到多载波中，利用logistic模型产生频率掩蔽向量，实现子载波频率加密；9.s4，通过逆傅里叶变换由频域变至时域，再采用原型滤波器对子载波进行滤波处理；10.s5，将滤波处理后的信号，经并串变化后，进入信道传输。11.进一步，所述步骤s1中，将6dduffing_lu混沌模型产生的六维混沌序列，作为每一帧scma编码六个用户的私钥，对用户数据进行加密，具体表达式为：12.masking_vector1＝floor(mod(x1×1011,3))+113.masking_vector2＝floor(mod(x2×108,3))+114.masking_vector3＝floor(mod(x3×109,3))+115.masking_vector4＝floor(mod(x4×1012,3))+116.masking_vector5＝floor(mod(x5×1013,3))+117.masking_vector6＝floor(mod(x6×1010,3))+118.其中，floor()为取整函数，mod()为取余函数。19.进一步，所述步骤s2中，将加密后的比特流进行scma编码，具体的编码过程如下：20.每一个用户对应一个专属的码本，每一个码本中含有四个码字，对应2位比特流的四种映射情况；如此，同一个载波上携带了三个用户的信息，同时每个用户的信息都占用两个子载波；21.在scma编码之后，对输出信号将进行oqam-fbmc调制。22.进一步，所述步骤s3中，对多载波信号进行掩蔽，由logisticmapping作为公钥产生掩蔽向量：23.xd+1＝μxd(1-xd),x0∈(0,1)μ∈[1,4][0024]其中，μ为常数，d表示迭代次数，xd为迭代d次之后值；初始值x0为0至1中的任意值；[0025]子载波掩蔽的过程如下：[0026]subcarrier_encryption＝floor(mod(xd×107,128))+1[0027]frequency_order＝unique(subcarrier_encryption,'stable')[0028]其中，subcarrier_encryption表示子载波，frequency_order表示加密之后的子载波频率顺序，unique()表示取唯一的函数；stable表示表示子函数中的一个参量；floor()为取整函数，mod()为取余函数。[0029]进一步，在步骤s4中，经逆傅里叶变换之后，每个符号将由滤波器组进行处理，此处的符号指的是经过scma编码之后由oqam映射之后的信号，经过滤波处理后的scma-fbmc信号表示为：[0030][0031]其中，am,n为scma编码后的信号，g(t)是设计的整形滤波器，用来确保相邻载波之间存在的相移，f′m为加密后的子载波频率，m表示频率个数，n为符号个数。[0032]本发明与现有技术相比，其显著效果如下：[0033]1、基于scma编码单个载波上调制多个用户信息，实现1.5倍过载；同时利用弱耦合四模光纤，避免了接收端复杂的mimo算法，实现接入带宽和数目的四倍提升；[0034]2、利用logistic模型对载波频率进行扰动，抵御非法接收端的攻击；6dduffing_lu混沌模型作为私钥，对各个用户的原始信息进行置乱，降低同一载波上不同用户之间的信号窃听，提升传输系统的安全性能；[0035]3、本发明使用的mplc模式复用解复用器成本较低，在短距离接入中有着广泛的应用前景。附图说明[0036]图1为本发明的总流程示意图；[0037]图2(a)为混沌序列x1-x2的混沌轨迹图，[0038]图2(b)为混沌序列x1-x3的混沌轨迹图，[0039]图2(c)为混沌序列x1-x4的混沌轨迹图，[0040]图2(d)为混沌序列x1-x6的混沌轨迹图；[0041]图3为比特轮询加密示意图；[0042]图4为scma编码原理示意图；[0043]图5为logisticmapping的分岔示意图；[0044]图6为本发明的系统结构示意图；[0045]图7为lp01模、lp21模、lp11a模和lp11b模的仿真结果示意图；[0046]图8为加密前后及非法接收端误码性能示意图。具体实施方式[0047]下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。[0048]在本发明中拟采用弱耦合4模光纤，各个模式之间的串扰相对较弱，可以将不同模式视为独立的信道，避免了多输入多输出的dsp算法。[0049]本发明提出并演示了在fbmc-scma-pon中的混沌加密方案。基于scma的稀疏码本，实现1.5倍的过载；利用了logisticmapping作为公共的密钥分发给pon中的所有onu,对fbmc系统的载波频率进行置换加密来抵御非法接收端的攻击。由于scma与传统的正交多址技术不同，在相同的载波上携带着不同的用户信息，为了确保同个载波上不同用户的信息安全，因此本发明利用6dduffing_lu混沌模型作为私钥，产生六路混沌序列用于不同用户的信号加密，这种非对称加密的方法可以有效的改善加密的灵活性和安全性。此外，本发明在传输架构上也做出了改进，利用四模光纤代替现有的单模光纤，实现带宽和接入数目的增长。[0050]本发明的流程框图如图1所示，包括步骤如下：[0051]s1,在发射端，将原始的二进制数据由6dduffing_lu混沌模型产生混沌序列进行比特加密；[0052]s2，加密后的比特流通过scma编码映射到各个码本中，通过oqam(offsetquadraturemodulation偏置正交调制)映射将信号的实部虚部分开；[0053]s3，将步骤s2得到的信号调制到多载波中，利用logistic模型产生频率掩蔽向量，实现子载波频率的加密；[0054]s4，由逆傅里叶变换(ifft)将频域变至时域，接着利用原型滤波器对子载波进行滤波处理；[0055]s5，经并串变化后，进入信道传输。[0056]在接收端，进行与发射端相对应的串并变化、滤波处理、傅里叶变化(fft)、载波解调、解映射的处理实现原始数据的恢复。[0057]在步骤s1中，6dduffing_lu混沌模型如下：[0058][0059]该模型是lu和duffing超混沌系统的整合所得到的高维混沌系统。公式(1)可以利用四阶龙格库塔方法进行求解，同时得到六维混沌序列(x1,x2,x3,x4,x5,x6)。[0060]duffling_lu的相图如图2(a)、2(b)、2(c)和2(d)所示，从图中可以看到duffling_lu模型有着非常复杂的非线性混沌动力学特性；此外，duffling_lu模型有着两个正的lyapunov指数，证实了该系统处于超混沌状态。[0061]本发明利用所产生的六维混沌序列作为每一帧scma六个用户的私钥，对用户数据进行加密。六维掩蔽向量的分别表示为：[0062]masking_vector1＝floor(mod(x1×1011,3))+1(2)[0063]masking_vector2＝floor(mod(x2×108,3))+1(3)[0064]masking_vector3＝floor(mod(x3×109,3))+1(4)[0065]masking_vector4＝floor(mod(x4×1012,3))+1(5)[0066]masking_vector5＝floor(mod(x5×1013,3))+1(6)[0067]masking_vector6＝floor(mod(x6×1010,3))+1(7)[0068]其中，mod()表示求余，floor()表示取整。公式(2)-(7)产生六维掩蔽向量对不同onu的信号进行加密。[0069]如图3所示，本发明采用的加密方式为比特轮询的方式。以两个比特为一组进行轮询。对于每个用户都会有对应的掩蔽向量，如式(2-7)所示。假设用户的比特为00，掩蔽向量为1那么00将会变成01进而实现加密。[0070]公式(2)-(7)产生的均为1-3的正整数，分别代表比特信息进行轮询的位数。如此就实现了对于所有用户信息的置乱，同时这种比特轮询的加密方法没有引入额外的噪声，对于信号的传输质量几乎没有影响。[0071]在步骤s2中，加密后的比特流进行scma编码，具体的编码过程如图4所示。[0072]每一个用户都对应一个专属的码本，每一个码本中含有四个码字，对应2位比特流的四种映射情况。这样，同一个载波上携带了三个用户的信息，同时每个用户的信息都占用两个子载波，也就是六个用户的数据只需要4个载波进行传输，这样实现了1.5倍的过载，在固定的频谱资源内实现了接入用户数的提升。图4也给出了4个载波的星座点分布，标准的qam映射有着明显的不同。本实施例中，一共使用了128个子载波分成32组，每一组对应六个用户4个码本，因此，scma用户接入数可以达到192。结合四模光纤，一共可以接入的最大用户数目为192×4＝768。在scma编码之后，对输出信号将进行oqam-fbmc调制。scma信号的实部和虚部将被分开，虚部信号将会有t/2的延迟，“t”表示信号传输周期。[0073]在步骤s3中，为了抵御非法接收端的攻击，本发明将对多载波信号进行掩蔽，由logistic模型作为公钥产生掩蔽向量：[0074]xd+1＝μxd(1-xd),x0∈(0,1)μ∈[1,4]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(8)[0075]其中，μ为常数，d表示迭代次数，xd为迭代d次之后值；初始值x0为0至1中的任意值；[0076]logistic模型有着非常复杂的混沌特性，对于初始参数的选择有着很高的灵敏度。如图5所示，显示了不同μ值下的x分布情况，当μ值小于3.02时，x只有一个值；当μ值不断增加时，x的值不断增多；当μ值大于3.57时，x进入混沌状态。[0077]子载波掩蔽的过程如下：[0078]subcarrier_encryption＝floor(mod(xd×107,128))+1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(9)[0079]frequency_order＝unique(subcarrier_encryption,'stable')ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(10)[0080]其中，subcarrier_encryption表示子载波，frequency_order表示加密之后的子载波频率顺序，unique()表示取唯一的函数；stable表示表示子函数中的一个参量；公式(9)中，利用logistic模型产生的混沌序列产生1到128的整数，对应于本实施例中的128个子载波；公式(10)为将原始128个载波的顺序打乱，完成载波的加密，提升系统抵御非法接收端的攻击能力。[0081]将原始的载波顺序与现在的顺序进行比较，发现置乱程度达到100％，这就说明了载波置乱的方式有着良好的加密效果。同时由于非法接收端的攻击在特定的频率范围内，通过载波置换的方式可以平均非法接收端的攻击，在接收端利用纠错算法(fec)可以有效恢复原始数据。[0082]在步骤s4中，在逆傅里叶变换之后，每个符号将由滤波器组进行处理，经过滤波处理后的scma-fbmc信号可以表示为：[0083][0084]其中，am,n为scma编码后的信号(signal)，g(t)是设计的整形滤波器，用来确保相邻载波之间存在的相移(phaseshift)，f′m为加密后的子载波频率，m表示频率个数，n为符号个数。[0085]在接收端，mpa(messagepassingalgorithm消息传递算法)算法用来得到不同用户的信息。该算法充分利用了scma码本的稀疏性，可以在可接受的复杂度范围内实现混合信号的最优检测。其关键是通过子载波节点与变量节点的置信消息传递实现对置信消息的更新，多次迭代最终完成码字概率的收敛，得到较为可靠的码字信息输出，实现将不同用户数据信息的准确解调。[0086]如图6所示为本实施例的系统结构图。加密后的scma数据加载至任意波形发生器中，激光器输出1550nm波长光信号进入强度调制器，信号调制后由分束器进行分光后，进入基于mplc的模式复用器进行复用，复用后的信号经过5km四模光纤后，由mplc模式解复用器进行解调，然后通过分束器至各个onu。在接收端，利用光衰减器进行功率的调节，经光电探测器实现光电转换，最终由示波器采集并保存数据。[0087]实验结果如图7所示，在接收端各个模式之间存在一定的差距。总体上lp01模式的传输效果最好，这与单模光纤传输效果类似。其次是lp21模，从原理上讲，单个模式传输时，lp11模式的传输性能应该要优于lp21，但是由于lp11a与lp11b，两个模式是简并模，传播常数相同，导致两者之间的串扰相对比较严重，影响传输性能，但后期可以通过dsp算法进行信号性能的恢复。[0088]此外，本实施例还测试了在加密前后以及非法接收端的误码性能，实验结果如图8所示。由于本发明使用比特巡回的加密方式并不会引入额外的相位噪声，整体的传输性能与未加密信号几乎一致。由于非法接收端缺乏正确的密钥，导致无法正确的解出传输的信息，误码率维持在0.5，这表明了本发明的方案有着良好的传输效果和优异的安全性能，因此，在未来光接入系统中有着广泛的应用前景。当前第1页12当前第1页12
技术特征：1.一种高安全scma少模光接入方法，其特征在于，包括步骤如下：s1,在发射端，将原始信号由6d duffing_lu混沌模型产生混沌序列进行比特加密；s2，将加密后的比特流通过scma编码映射到各个码本中，通过oqam映射将信号的实部虚部分开；s3，将步骤s2得到的信号调制到多载波中，利用logistic模型产生频率掩蔽向量，实现子载波频率加密；s4，通过逆傅里叶变换由频域变至时域，再采用原型滤波器对子载波进行滤波处理；s5，将滤波处理后的信号，经并串变化后，进入信道传输。2.根据权利要求1所述的高安全scma少模光接入方法，其特征在于，所述步骤s1中，将6d duffing_lu混沌模型产生的六维混沌序列，作为每一帧scma编码六个用户的私钥，对用户数据进行加密，具体表达式为：masking_vector1＝floor(mod(x1×
10
11
,3))+1masking_vector2＝floor(mod(x2×
108,3))+1masking_vector3＝floor(mod(x3×
109,3))+1masking_vector4＝floor(mod(x4×
10
12
,3))+1masking_vector5＝floor(mod(x5×
10
13
,3))+1masking_vector6＝floor(mod(x6×
10
10
,3))+1其中，floor()为取整函数，mod()为取余函数。3.根据权利要求1所述的高安全scma少模光接入方法，其特征在于，所述步骤s2中，将加密后的比特流进行scma编码，具体的编码过程如下：每一个用户对应一个专属的码本，每一个码本中含有四个码字，对应2位比特流的四种映射情况；如此，同一个载波上携带了三个用户的信息，同时每个用户的信息都占用两个子载波；在scma编码之后，对输出信号将进行oqam-fbmc调制。4.根据权利要求1所述的高安全scma少模光接入方法，其特征在于，所述步骤s3中，对多载波信号进行掩蔽，由logistic mapping作为公钥产生掩蔽向量：x
d+1
＝μx
d
(1-x
d
),x0∈(0,1)μ∈[1,4]其中，μ为常数，d表示迭代次数，x
d
为迭代d次之后值；初始值x0为0至1中的任意值；子载波掩蔽的过程如下：subcarrier_encryption＝floor(mod(x
n
×
107,128))+1frequency_order＝unique(subcarrier_encryption,'stable')其中，subcarrier_encryption表示子载波，frequency_order表示加密之后的子载波频率顺序，unique()表示取唯一的函数；stable表示表示子函数中的一个参量；floor()为取整函数，mod()为取余函数。5.根据权利要求1所述的高安全scma少模光接入方法，其特征在于，在步骤s4中，经逆傅里叶变换之后，每个符号将由滤波器组进行处理，此处的符号指的是经过scma编码之后由oqam映射之后的信号，经过滤波处理后的scma-fbmc信号表示为：
其中，a
m,n
为scma编码后的信号，g(t)为整形滤波器，用来确保相邻载波之间存在的相移，f'
m
为加密后的子载波频率，m表示频率个数，n为符号个数。
技术总结本发明公开了一种高安全SCMA少模光接入方法，包括步骤如下：S1,在发射端，将原始信号由6D Duffing_Lu混沌模型产生混沌序列进行比特加密；S2，将加密后的比特流通过SCMA编码映射到各个码本中，通过OQAM映射将信号的实部虚部分开；S3，将步骤S2得到的信号调制到多载波中，利用Logistic模型产生频率掩蔽向量，实现子载波频率加密；S4，通过逆傅里叶变换由频域变至时域，再采用原型滤波器对子载波进行滤波处理；S5，将滤波处理后的信号，经并串变化后，进入信道传输。本发明的非对称加密方法能有效的改善加密的灵活性和安全性；利用四模光纤代替现有的单模光纤，实现带宽和接入数目的增长。长。长。
技术研发人员：陈帅东 刘博 任建新 毛雅亚 吴翔宇 柏宇
受保护的技术使用者：南京信息工程大学
技术研发日：2022.07.22
技术公布日：2022/11/1
