基于网格编码调制下高安全性聚类映射多芯光传输系统

1.本发明涉及基于网格编码调制下高安全性聚类映射多芯光传输系统，属于通信技术领域的光传输技术以及加密技术领域。


背景技术：

2.近些年，人们的物质生活水平不断提高带来了科技的升级换代，“智能”成为了社会的热门话题，物联网智能家居的全屋互联，新能源汽车的无人驾驶技术，ai技术可以实现旧照片的复原，这些历史性的变革都意味着宽带网络用户的飞速增长，宽带网络爆炸式的流量增长意味着需要与之相匹配的高新网络技术的应用。很显然，传统的宽带网络是无法应对这样的挑战和任务，需要探寻有更大传输容量，更有效资源调度，更细致业务管理和更安全的网络系统。“光网络”替代传统“铜网络”应运而生，采用光纤代替原本的铜缆作为传输介质进行传输，可以有效提升网络质量，光纤可以搭载更大的信息容量，可以使通信网络具有更好的频谱效率和更强的稳定性，光纤通信网络已经在全球实现大范围的应用，但是考虑到单模，单芯光纤传输容量的局限性以及光纤非线性效应的影响，需要新的传输技术来保证通信网络更高速更大容量的传输。
3.接入网作为高速通信网络的“最后一公里”是衔接用户与骨干网的关键环节，在骨干网技术发展日趋成熟稳定的情况下，对于接入网的研究成为了光网络发展的研究热点。对比基于电话用户线发展的非对称的数字用户接入和基于有线电视网络发展的混合光纤同轴电缆接入（hfc），无源光网络（pon）因其可以节省光纤资源，服务范围广，组网方式灵活且运营成本低，带宽资源分配灵活和优秀的抗干扰能力，可以更好的满足光接入网的建设需求，成为光接入网优选的接入方式之一。无载波幅相调制技术（cap）是以正交幅度调制技术（qam）为基础发展形成，在数字域通过设计滤波器组即可实现，具有功耗低，容易实现数字信号处理等特点。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供基于网格编码调制下高安全性聚类映射多芯光传输系统，使用网格编码调制和星座聚类映射算法对光接入网实现高有效性与高可靠性的传输，并使用蔡氏混沌模型保障传输安全性。
5.为达到上述目的，本发明提供基于网格编码调制下高安全性聚类映射多芯光传输系统，包括：网络编码调制模块，用于对输入的原始比特流进行串并转换，获得并行的比特流；二维星座聚类映射模块，用于二维星座，将并行的比特流映射获得二维星座图。
6.优先地，三维星座聚类映射模块，用于基于聚类映射算法，将并行的比特流从二维星座图扩展至三维几何星座图；三维星座加密模块，用于选取蔡氏混沌模型生成扰动向量；基于扰动向量，生成三维空间扰动的混沌四元数矩阵，将三维几何星座图扰动成三维球形星座图。
7.优先地，数模转换模块，用于将三维球形星座图通过数模转换成实时的信号波形；基于三维无载波幅相调制，将信号波形调制到光信号上；多芯光纤传输模块，用于将光信号传送给光网络单元模块。
8.优先地，光网络单元模块，包括：光电转换模块，用于通过光电转换将光信号转换成电信号；模数转换模块，用于通过模数转换将电信号转到数字域，获得球形星座图；三维星座解密及逆映射模块，用于对球形星座图使用混沌四元数矩阵解掩蔽，还原成标准的立方体星座图。
9.优先地，光网络单元模块，包括：二维星座及维特比译码模块，用于根据聚类映射算法，将立方体星座图还原成二维的星座图，获得二维符号信息；对二维符号信息进行维特比译码，获得原始比特流。
10.优先地，网络编码调制模块，选择2/3卷积编码器进行64qam的网格编码调制；并行的比特流映射获得最优8qam二维星座图。
11.优先地，网格编码调制，包括：其中，选取每列输入的原始比特流的第2位u1和第3位u2作为编码比特，并送入2/3卷积编码器，获得v0、v1和v2；选取每列原始比特流的第一位u3作为未编码比特，将u3、v0、v1和v2送入2d tcm信号映射器，获得三行并列的比特流。
12.优先地，三维星座聚类映射模块，包括：选取8qam二维星座图的内四边形的符号数据映射到三维8qam立方体星座图的上层，8qam二维星座图的外四边形的符号数据映射到三维8qam立方体星座图的下层；获取内四边形的符号数据的振幅和外四边形的符号数据的振幅，并对内四边形的符号数据和外四边形的符号数据进行分类判别，将在三维8qam立方体星座图同一个顶点的符号数据归类在一起；归类后的符号数据依次映射到三维8qam立方体星座图空间中。
13.优先地，三维星座加密模块，包括：根据三维8qam立方体星座图，选用蔡氏混沌模型生成初始混沌序列x1；根据采样因子l=1对初始混沌序列x1进行采样，混沌序列x1每一位减0.1后，使用向负取整函数floor处理生成序列x2，处理后的序列x2再用原x1序列通过模运算函数mod对其做模运算，生成处理后的混沌序列x3；对混沌序列x3进行判定，若0《x3《0.5则混沌序列x3每一位增加0.5，若-0.5《x3《0则混沌序列x3每一位减去0.5；判定后的序列x3.
×
10^7生成混沌序列x4；混沌序列x4对360用模运算函数mod做模运算生成的序列通过向负无穷取整数floor生成混沌序列x5；x5
×
π/180生成代表旋转角度的混沌掩蔽序列x6；利用angle2quat将混沌掩蔽序列x6转为三维空间扰动的混沌四元数矩阵t1；利用quatrotate函数将混沌四元数矩阵t1扰动施加到三维8qam立方体星座图上，将三维8qam立方体星座图扰动成三维球形星座图。优先地，数模转换模块，包括：
将三维球形星座图所有点的坐标根据x、y和z三个轴的方向分成并行的三组数据；对三组数据用相同的采样率进行上采样，生成x路数据、y路数据和z路数据；将x路数据、y路数据和z路数据分别送入三个滤波器，得到三路信号波形；将三路信号波形送入加法器，基于三维无载波幅相调制，合并成一路实数信号；一路实数信号与光源调制成光信号。本发明所达到的有益效果：本发明是基于cap调制下的64qam无源光网络（pon）多芯光传输系统,在系统发射端，采用2/3卷积编码器对原始比特流进行网格编码调制，基于网格编码调制技术的特性而来，网格编码调制的纠错性能会随着调制阶数的增大而增大，编码增益会逐渐与扩展星座带来的增益损失相平衡；本发明生成经过二维星座成形的8qam星座图，之后对生成的二维符号数据取其实部和虚部；本发明在三维空间星座图的设计是三维8qam立方体星座图，将前步骤处理好的二维符号数据依据设计的三维立方体星座的八个顶点进行分类，再根据每一个类聚合该类数据后映射到三维空间立方体的每个顶点上，实现二维星座图到三维星座图的映射变换，通过二维到三维的映射变换可以获取的星座成形增益来抵消高阶调制格式下二维星座扩展带来的较高的星座扩展增益损失，因而可以起到扩大网格编码调制的编码增益的作用，同时实现更好的传输可靠性与有效性；现有技术通过添加并行卷积编码器将维度升到三维或者添加概率分布匹配器等方式方法施加概率整形技术提升性能，本发明相比现有技术本发明更具灵活性，可直接进行灵活的几何成形同时减少了编译码时的复杂度；本发明设计的聚类映射算法可以灵活地对星座图施加星座成形技术，将二维星座成形后的数据映射在三维上，可再次实现不同的几何星座成形的设计与优化，追求星座品质因子的最大化，从而使系统传输容量逼近香农极限；本发明选取蔡氏混沌模型，生成混沌扰动向量和混沌四元数矩阵，用生成的混沌四元数矩阵将原本的立方体星座图标扰动成球形星座图，实现对pon网络传输的安全性实施，最后使用3维cap调制将球形星座图的数据调制到光信号上，经过光放大器和光衰减器输入到多芯光纤的扇入模块进行传输；本发明在系统接收端，扇出模块接收到信号后通过分束器将光信号送到各个接入用户接收端，接收端将信号处理转换到数字域后，用混沌四元数矩阵将球形星座图恢复成标准的立方体星座图，再根据设计的聚类映射规则可以恢复成二维的平面星座图，将二维的平面星座图数据送入卷积译码器进行维特比译码，可以得到发送端的原始数据。
附图说明
14.图1是本发明的原理框图；图2是本发明中网格编码调制模块的原理框图；图3是本发明中8状态卷积编码器的原理框图；图4是本发明中最优8qam二维星座图的示意图；图5是本发明中二维星座映射到三维星座映射的示意图；图6是本发明中三维星座加密模块的流程图；
图7是本发明中三维星座加密模块的原理框图。
具体实施方式
15.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。
16.基于网格编码调制下高安全性聚类映射多芯光传输系统，包括：网络编码调制模块，用于对输入的原始比特流进行串并转换，获得并行的比特流；二维星座聚类映射模块，用于二维星座，将并行的比特流映射获得二维星座图。
17.进一步地，本实施例中三维星座聚类映射模块，用于基于聚类映射算法，将并行的比特流从二维星座图扩展至三维几何星座图；三维星座加密模块，用于选取蔡氏混沌模型生成扰动向量；基于扰动向量，生成三维空间扰动的混沌四元数矩阵，将三维几何星座图扰动成三维球形星座图。
18.进一步地，本实施例中数模转换模块，用于将三维球形星座图通过数模转换成实时的信号波形；基于三维无载波幅相调制，将信号波形调制到光信号上；多芯光纤传输模块，用于将光信号传送给光网络单元模块。
19.进一步地，本实施例中光网络单元模块，包括：光电转换模块，用于通过光电转换将光信号转换成电信号；模数转换模块，用于通过模数转换将电信号转到数字域，获得球形星座图；三维星座解密及逆映射模块，用于对球形星座图使用混沌四元数矩阵解掩蔽，还原成标准的立方体星座图。
20.进一步地，本实施例中光网络单元模块，包括：二维星座及维特比译码模块，用于根据聚类映射算法，将立方体星座图还原成二维的星座图，获得二维符号信息；对二维符号信息进行维特比译码，获得原始比特流。
21.进一步地，本实施例中网络编码调制模块，选择2/3卷积编码器进行64qam的网格编码调制；并行的比特流映射获得最优8qam二维星座图。
22.进一步地，本实施例中网格编码调制模块，包括：其中，选取每列输入的原始比特流的第2位u1和第3位u2作为编码比特，并送入2/3卷积编码器，获得v0、v1和v2；选取每列原始比特流的第一位u3作为未编码比特，将u3、v0、v1和v2送入2d tcm信号映射器，获得三行并列的比特流。
23.进一步地，本实施例中三维星座聚类映射模块，包括：选取8qam二维星座图的内四边形的符号数据映射到三维8qam立方体星座图的上层，8qam二维星座图的外四边形的符号数据映射到三维8qam立方体星座图的下层；获取内四边形的符号数据的振幅和外四边形的符号数据的振幅，并对内四边形的符号数据和外四边形的符号数据进行分类判别，将在三维8qam立方体星座图同一个顶点的符号数据归类在一起；归类后的符号数据依次映射到三维8qam立方体星座图空间中。
24.进一步地，本实施例中三维星座加密模块，包括：根据三维8qam立方体星座图，选用蔡氏混沌模型生成长度为3位的初始混沌序列
x1；根据采样因子l=1对初始混沌序列x1进行采样，混沌序列x1每一位减0.1后，使用向负取整函数floor处理生成序列x2，处理后的序列x2再用原x1序列通过模运算函数mod对其做模运算，生成处理后的混沌序列x3；对混沌序列x3进行判定，若0《x3《0.5则混沌序列x3每一位增加0.5，若-0.5《x3《0则混沌序列x3每一位减去0.5；判定后的序列x3.
×
10^7生成混沌序列x4；混沌序列x4对360用模运算函数mod做模运算生成的序列通过向负无穷取整数floor生成混沌序列x5；x5
×
π/180生成代表旋转角度的混沌掩蔽序列x6；利用angle2quat将混沌掩蔽序列x6转为三维空间扰动的混沌四元数矩阵t1；利用quatrotate函数将混沌四元数矩阵t1扰动施加到三维8qam立方体星座图上，将三维8qam立方体星座图扰动成三维球形星座图。进一步地，本实施例中数模转换模块，包括：将三维球形星座图所有点的坐标根据x、y和z三个轴的方向分成并行的三组数据；对三组数据用相同的采样率进行上采样，生成x路数据、y路数据和z路数据；将x路数据、y路数据和z路数据分别送入三个滤波器，得到三路信号波形；将三路信号波形送入加法器，基于三维无载波幅相调制，合并成一路实数信号；一路实数信号与光源调制成光信号。
25.本发明是一种基于网格编码调制下高安全性聚类映射多芯光传输系统，整体系统示意图如图1所示，主要包括光线路终端olt、7芯光纤传输链路、光分配节点odn以及光网络单元onu。其中olt与onu中都包含上下行通信的发送机与接收机，odn由无源的光分束器构成。
26.整个pon系统的工作流程为：1、网络编码调制模块：在光线路终端（olt），对终端的原始比特流分成并行的3组比特流，选择2/3卷积编码器进行64qam的网格编码调制；二维星座映射模块：基于二维星座映射获得二维星座图，具体地映射成最优8qam二维星座图，完成比特到二维的符号的映射。
27.2、三维星座聚类映射模块：在生成了二维的符号数据后，将网格编码调制后的信号通过设计的聚类映射算法从二维星座图扩展至三维几何星座图，具体地映射成三维8qam立方体星座图；具体地，根据设计的三维8qam立方体星座坐标，设计分布到8qam立方体星座图每一个顶点的符号数据，将二维的符号数据根据分好的类别聚合后映射到三维空间，实现二维星座到三维星座的灵活映射变换；3、三维星座加密模块：选取蔡氏混沌模型，生成扰动向量；基于扰动向量生成可以进行3维空间扰动的混沌四元数矩阵，将原本标准的三维8qam立方体星座图扰动成三维球形星座图。
28.4、数模转换模块：将三维球形星座图的符号数据通过数模转换成实时的信号波形，信号波形通过搭载三维无载波幅相调制技术的调制器调制到光信号上。
29.下行接收端指的是olt以广播形式向光网络单元（onu）传输信息时对于onu侧的统
称，同时光网络单元onu同样可以向olt上行传输信息，此时称onu侧为上行发送端，对应此时的olt侧称为上行接收端，上行发送端和上行接收端为体现系统包含上行传输过程，无特殊功能作用。olt中的激光器充当光源的作用，与经过数模转换的信号经过调制器调制成光信号。
30.5、多芯光纤传输模块：7芯光纤传输链路包括扇入模块、多芯光纤和扇出模块，光信号通过光放大器和光衰减器后送入扇入模块，扇入模块的输出送入多芯光纤，多芯光纤的输出送入扇出模块，扇出模块的输出送入分束器。
31.本实施例中多芯光纤采用7芯光纤，光信号从olt发出，通过光放大器和光衰减器后送入7芯光纤传输链路的扇入模块，在7芯光纤中传输后从扇出模块输出光信号，输出的光信号由光分配节点odn分配到对应的接入用户。
32.在光网络单元onu中，光电转换模块用于通过光电转换将光信号转换成电信号，模数转换模块用于通过模数转换将电信号转到数字域，获得球形星座图，图1中的onu1、onu2和onu3内部结构及工作流程均相同。
33.6、三维星座解密及逆映射模块：接收端对接收到的球形星座图先使用混沌四元数矩阵解掩蔽，还原成标准的立方体星座图。
34.7、二维星座及维特比译码模块：立方体星座图坐标根据发送端设计的聚类映射算法还原成二维的星座图，获得的二维符号信息，将二维符号信息送入卷积编码译码器进行维特比译码，用户即可获得发送端发送的原始比特流。
35.各个模块的具体工作流程如下所述：（1）网格编码调制模块网格编码调制模块如图2所示，对原始比特流进行串并转换，转换成3行并行的比特流，选取每列比特流的第2位和第3位作为编码比特（图2中u1，u2）。第一位（图2中u3）作为未编码比特直接送入2d tcm信号映射器准备，编码比特送入2/3卷积编码器（如图3）生成3路并行比特进入2d tcm信号映射器。进入2d tcm信号映射器后，根据集合分割技术（msp）,编码比特用于选择子集二叉树中的子集，未编码比特用于选择信号点中的具体信号点，完成比特到星座符号数据的映射过程。
36.二维星座聚类映射模块：常规的64qam网格编码调制是直接映射成标准的64qam二维星座图，本发明将64qam网格编码调制先通过星座成形生成最优8qam二维星座图，如图4所示，完成系统发射端的网格编码调制过程。
37.（2）三维星座聚类映射模块如图5所示，在网格编码调制之后，8qam二维星座图包含的是两路随机并行的符号数据，根据设计选取8qam二维星座图内四边形的符号数据映射到三维8qam立方体星座图的上层，8qam二维星座图的外四边形上的符号数据映射到三维8qam立方体星座图的下层；确定好数据分布后取内四边形的符号数据和外四边形上的符号数据的振幅，通过8qam二维星座图符号数据的振幅对这两路数据进行分类判别，将在三维8qam立方体星座图同一个顶点的符号数据归类在一起。
38.因为二维星座是没有z轴的，所以需要对应三维8qam立方体星座图点根据设计的位置分布赋值z轴的坐标，本发明中三维8qam立方体星座图上层的四个顶点z轴的坐标都赋值为1，同理，下层的四个顶点z轴赋值-1。
39.归类后的数据依次映射到三维8qam立方体星座图空间中，实现二维星座到三维星座的灵活映射变换，在接收端将三维星座图还原成二维星座图即为逆过程。
40.（3）混沌扰动过程在实现二维星座图到三维星座图的映射后，对系统实施物理层加密来保证系统传输过程中的安全性，因为混沌系统的1、初值敏感性；2、整体有界性；3、遍历性；4、内随机性；5、分维性；6、非周期定常态特性。因此选取混沌模型作为保密通信是一种很有效的方式和手段，本发明选取蔡氏混沌模型，生成混沌序列，对混沌序列进行处理，具体流程图如图6,即可以将原本的三维立方体星座图扰动成三维球形星座图。
41.（4）cap映射单元在生成了三维球形星座图以后，本发明采用三维无载波幅相调制技术的调制器将数据调制到光信号上并送入信道进行传输，具体调制流程如图7所示。
42.具体调制的流程为：将三维球形星座图所有点的坐标根据x、y和z三个轴的方向分成并行三组数据，用相同的采样率进行上采样，生成三路数据x路、y路和z路，将x路、y路和z路分别送入三个滤波器（滤波器1、滤波器2和滤波器3）,通过滤波器后得到三路波形，将三路滤波器输出的三路信号送入加法器，加法器将三路信号合并成一路实数信号（数字域3d-cap信号）即可送入信道传输，完成cap调制过程。
43.加密后的信号通过olt中的环行器后进入7芯光线传输链路，根据odn中的光分束器分配到对应onu，通过环行器后进入下行接收端，解调过程是发送端的逆过程。
44.首先通过光电转换后，将光信号转换为电信号，再通过模数转换，将模拟信号转化为数字信号，在数字域进行处理。在数字域进行重采样，帧同步过程后通过滤波器组进行匹配滤波，输出的三路数据进行下采样，通过均衡之后使用发端的混沌四元数矩阵对加密球形星座图进行解密，恢复成三维立方体星座图。获得接收端的三维立方体星座图以后根据设计的聚类映射规则，将立方体上的每一个顶点的数据依次逆映射到平面二维8qam星座图，然后二维8qam的两路符号信息送入卷积编码器的译码器进行维特比译码，即可恢复出原始比特流。
45.angle2quat为现有技术中将旋转角度转为四元数函数angle2quat，quatrotate函数是指现有技术中按四元数旋转矢量函数quatrotate，光放大器、光衰减器、多芯光纤、分束器上述部件在现有技术中可采用的型号很多，本领域技术人员可根据实际需求选用合适的型号，本实施例不再一一举例。
46.本发明采用该信号调制方案来研究无源光网络（pon）的传输技术。
47.本发明在光纤传输链路采用基于复用技术的7芯光纤可以有效提升系统的传输容量，另一方面，高阶调制技术可以有效提高频谱效率但是会降低功率效率带来判决困难的问题，对于在功率效率和频谱效率之间如何平衡的问题，纠错编码技术可以有效平衡传输性能的有效性和可靠性的问题。网格编码调制在纠错编码技术中不同于别的纠错编码是增加相当数目的冗余比特来增强传输的可靠性，高可靠性带来的是有效性的降低，网格编码调制技术是通过扩展信号集来容纳卷积编码器带来的冗余信息，通过集合分割映射技术(msp)实现比特到信号的映射，在去掉信号集扩展等增益损失后仍然可以获得3至6db编码增益，还可以通过多维网格编码调制方案，不断降低增益损失，有效提升编码增益。本发明采用网格编码调制技术作为大容量高速光通信中的纠错编码来保证传输的可靠性。
48.现在广泛采用高阶调制格式例如64qam,128qam等实现信号频谱效率的提高，但是根据香农第二定理，均匀分布的信号常规的星座映射无法达到香农极限的，通信领域的研究一直在致力于寻找逼近香农极限的方法，因而星座成形技术被提出。星座成形技术包含几何成形技术和概率成形两种方法，本发明采用的是几何成形的方法，将网格编码调制后的信号通过设计的聚类映射算法从传统二维星座图扩展至三维几何星座图，提升信号的频谱效率，从而逼近香农极限。
49.无源光网络（pon）往往具有特殊的拓扑结构，下行方向是一对多（p2mp）的结构，广播通信的方式会使得非法onu具备窃取所有合法onu的可能性，在上行方向如果反射功率足够大，在光线路终端（olt）的信号也可以观测到onu传输过来的信号，另外光接入网物理层还会遭到非授权接入，身份欺骗攻击和数据泄露等安全威胁，所以对于光接入网实施安全保护尤为重要，本发明采用的是基于混沌模型的混沌加密通信，采用蔡氏混沌模型生成混沌序列对星座图进行扰动，在接入网中传输加密后的混沌模型，因为混沌模型具有的初值敏感性保证了通信的安全性。
50.本发明基于网格编码调制技术，设计一种灵活的聚类映射算法可以对信号灵活施加星座成形技术，获得更好的星座成形增益，扩大网格编码调制的编码增益，降低传输系统的误码率，实现对信号传输可靠性和有效性的兼顾，同时通过混沌模型的使用来提升信号在传输过程中的安全性，保证光接入网不遭受恶意攻击。
51.本技术是参照根据本技术实施例的方法、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。
52.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。
53.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。
54.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。