一种通过混沌加密方式实现光波长相位加密方法及系统

1.本发明涉及一种通过混沌加密方式实现光波长相位加密方法及系统，属于光通信领域。


背景技术：

2.随着光通信技术的日趋成熟，特别是密集波分复用技术的应用与发展，使得单芯光纤的传输波长数量激增，如今已远远超过两百个，大大提升了系统的传输容量。可以预见的是，未来光网络骨干网向着高速、大容量方向发展。截至目前，已有大量有关于密集波分复用技术的研究被提出，然而这些研究中大多只重视对波长复用密集程度的提高，忽略了随光网络容量的急剧增长和可访问性提高而来的安全性问题。
3.为有效解决安全问题，众多网络安全技术被提出，其中大多集中于光网络高层的加密协议，但这无法对数据头进行保护，难以对物理层攻击进行防御，因此这对网络安全的维护来说是一种很危险的方案。在物理层上进行加密的操作能够在本质上增强高层的安全过程，这无疑会使得整个系统更加安全，并且与高层加密相比，更适合高速数据加密。为了提高物理层的安全性，多种技术被提出，如混沌激光器等光学设备，但这些光学设备的发展往往受限于外腔延时特征和混沌激光的带宽，且成本较高，需要制作特定的混沌激光设备和模块，系统复杂。而在数字域的加密技术能够很好的规避这些缺点，不改变现有的通信系统，因此系统成本低。目前已提出多种先进的加密算法，如des、rsa和混沌算法等。其中，混沌加密技术相比于其他两种算法具有保密性强、随机性好、密钥量大、更换密钥方便等优点，此外，在抗干扰性、截获率、信号隐蔽等方面同样具有潜在的优势。同时，信号的数字化处理方便，在不改变任何光、电模块的情况下实现数据加密是可行的，能够很好的提高系统的不可预测性和随机性。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种，解决了背景技术中披露的问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种通过混沌加密方式实现光波长相位加密方法：
6.通过预先构建的混沌模型生成波长置乱矩阵以及相位扰动序列，将波长置乱矩阵输入波长选择开关，将相位扰动序列输入空间光调制器；
7.将已调制信号输入波长选择开关，波长选择开关根据波长置乱矩阵将已调制信号进行置乱交换；
8.置乱后的信号输入波长转换器，将信号的波长转换成原始波长序列；
9.原始波长序列的信号输入空间光调制器，空间光调制器根据相位扰动序列对原始波长序列的信号进行相位扰动，并输入波长选择开关进行波长复用；
10.复用后的信号继续传输，完成加密，生成已加密信号。
11.进一步地，所述加密方法的解密方法为：
12.将已加密信号输入波长选择开关进行波长解复用，并输入空间光调制器；
13.通过预先构建的混沌模型生成波长解扰矩阵以及相位解扰序列；
14.相位解扰序列输入空间光调制器，空间光调制器根据相位解扰序列对波长解复用的信号进行相位解扰，并输入波长选择开关；
15.波长解扰矩阵输入波长选择开关，波长选择开关根据波长解扰矩阵对相位解扰后的信号进行波长解扰，解扰后的信号继续传输，完成解密。
16.进一步地，所述混沌模型为lorenz映射模型，lorenz映射模型表示为：
[0017][0018]
其中，ρ、r、β为参数，(x,y,z)为变量，满足ρ》0，ρ
·
r》0，β》0，当ρ＝9，r＝25，β＝8/3时，系统处于混沌状态；接着利用lorenz映射模型生成混沌序列，通过混沌序列生成掩蔽矢量，分别对信号的波长和相位进行掩蔽；通过混沌映射后产生三组序列(xn,y
p
,z
l
)，取其中一组xn用于生成波长加密矩阵xn。过程如下式所示，第n个波长的加密矩阵为：
[0019]
xn＝mat{[x
n-floor(xn)]
*
·
[x
n-floor(xn)]'},n＝1,2,
…
,n
ꢀꢀꢀ
(2)
[0020]
其中，xn为波长的加密矩阵；mat{}表示对矩阵中非整数元素取0；[]
*
表示对序列进行排序，n为总波长数。接着对信号的相位进行置乱，提取混沌序列中的y
p
生成一组掩蔽因子y
p
，如下式所示：
[0021][0022]
其中，floor{}表示向零取整；公式(3)意为取y
p
第u位小数和第v位小数组成一个新的二位数序列y
p
。
[0023]
进一步地，所述空间光调制器为纯相位液晶的空间光调制器，工作时，只对偏振方向与液晶光轴平行的入射光相位进行调制，即液晶分子中只有e光存在，
[0024]
在外加电场前，空间光调制器中液晶的e光相位延迟为：
[0025]
δ0＝πd(n
e-n0)/λ
ꢀꢀꢀ
(4)
[0026]
其中，d为液晶晶体的厚度，λ为入射光的波长，ne为e光的折射率，n0为空气折射率；
[0027]
工作时，空间光调制器外加电场，液晶中e光的折射率ne随液晶光轴的偏转而改变，空间光调制器中液晶的e光相位延迟为：
[0028]
δ0＝πd(n
e(θ)-n0)/λ
ꢀꢀꢀ
(5)
[0029]
其中，
[0030][0031]
θ为液晶分子指向矢量和电场方向的夹角。
[0032]
相应地，一种通过混沌加密方式实现光波长相位加密系统，包括：
[0033]
混沌序列生成模块：设有用于生成混沌序列的混沌模型，所述馄饨序列包括波长
置乱矩阵以及相位扰动序列；
[0034]
波长扰动模块：包括波长选择开关和波长转换器，所述用于输入已调制信号，根据波长置乱矩阵将已调制信号进行置乱交换；所述波长转换器用于将置乱后的信号的波长转换成原始波长序列；
[0035]
相位扰动模块：用于输入原始波长序列的信号根据相位扰动序列对原始波长序列的信号进行相位扰动，并输入波长选择开关进行波长复用。
[0036]
进一步地，所述混沌模型为lorenz映射模型，lorenz映射模型表示为：
[0037][0038]
其中，ρ、r、β为参数，(x,y,z)为变量，满足ρ》0，ρ
·
r》0，β》0，当ρ＝9，r＝25，β＝8/3时，系统处于混沌状态；接着利用lorenz映射模型生成混沌序列，通过混沌序列生成掩蔽矢量，分别对信号的波长和相位进行掩蔽；通过混沌映射后产生三组序列(xn,y
p
,z
l
)，取其中一组xn用于生成波长加密矩阵xn。过程如下式所示，第n个波长的加密矩阵为：
[0039]
xn＝mat{[x
n-floor(xn)]
*
·
[x
n-floor(xn)]'},n＝1,2,
…
,n
ꢀꢀꢀ
(2)
[0040]
其中，xn为波长的加密矩阵；mat{}表示对矩阵中非整数元素取0；[]
*
表示对序列进行排序，n为总波长数。接着对信号的相位进行置乱，提取混沌序列中的y
p
生成一组掩蔽因子y
p
，如下式所示：
[0041][0042]
其中，floor{}表示向零取整；公式(3)意为取y
p
第u位小数和第v位小数组成一个新的二位数序列y
p
。
[0043]
进一步地，所述波长选择开关为基于硅基液晶的波长选择开关，由光纤阵列、准直透镜阵列、偏振转换光学元件、闪耀光栅、傅里叶透镜和lcos相位空间调制器组成。
[0044]
进一步地，所述相位扰动模块为纯相位液晶的空间光调制器，工作时，只对偏振方向与液晶光轴平行的入射光相位进行调制，即液晶分子中只有e光存在，
[0045]
在外加电场前，空间光调制器中液晶的e光相位延迟为：
[0046]
δ0＝πd(n
e-n0)/λ
ꢀꢀꢀ
(4)
[0047]
其中，d为液晶晶体的厚度，λ为入射光的波长，ne为e光的折射率，n0为空气折射率；
[0048]
工作时，空间光调制器外加电场，液晶中e光的折射率ne随液晶光轴的偏转而改变，空间光调制器中液晶的e光相位延迟为：
[0049]
δ0＝πd(n
e(θ)-n0)/λ
ꢀꢀꢀ
(5)
[0050]
其中，
[0051][0052]
θ为液晶分子指向矢量和电场方向的夹角。
[0053]
相应地，一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质：所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据上述的方法中的任一方法。
[0054]
相应地，一种计算设备，其特征在于，包括：
[0055]
一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据上述的方法中的任一方法的指令。
[0056]
本发明所达到的有益效果：
[0057]
本发明采用混沌模型对波分复用信号进行波长和相位的加密，在物理层实现通信安全。
附图说明
[0058]
图1为三维lorenz混沌吸引子示意图；
[0059]
图2为波长扰动加密流程示意图；
[0060]
图3为基于纯相位液晶的空间光调制器的内部分子排列方式示意图；
[0061]
图4为基于纯相位液晶的空间光调制器外加电压时内部分子排列方式示意图；
[0062]
图5为通过混沌加密方式实现光波长相位加密方法流程示意图；
[0063]
图6光波长相位解加密方法流程示意图；
[0064]
图7通过混沌加密方式实现光波长相位加密解密方法系统示意图。
具体实施方式
[0065]
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。
[0066]
如图5所示，本发明的一种通过混沌加密方式实现光波长相位加密方法，包括如下步骤：
[0067]
通过预先构建的混沌模型生成波长置乱矩阵以及相位扰动序列，将波长置乱矩阵输入波长选择开关，将相位扰动序列输入空间光调制器；
[0068]
将已调制信号输入波长选择开关，波长选择开关根据波长置乱矩阵将已调制信号进行置乱交换；
[0069]
置乱后的信号输入波长转换器，将信号的波长转换成原始波长序列；
[0070]
原始波长序列的信号输入空间光调制器，空间光调制器根据相位扰动序列对原始波长序列的信号进行相位扰动，并输入波长选择开关进行波长复用；
[0071]
复用后的信号继续传输，完成加密，生成已加密信号。
[0072]
如图6、7所示，所述加密方法的解密方法为以上过程的逆过程，包括如下步骤：
[0073]
将已加密信号输入波长选择开关进行波长解复用，并输入空间光调制器；
[0074]
通过预先构建的混沌模型生成波长解扰矩阵以及相位解扰序列；
[0075]
相位解扰序列输入空间光调制器，空间光调制器根据相位解扰序列对波长解复用的信号进行相位解扰，并输入波长选择开关；
[0076]
波长解扰矩阵输入波长选择开关，波长选择开关根据波长解扰矩阵对相位解扰后
的信号进行波长解扰，解扰后的信号继续传输，完成解密。
[0077]
本发明的一种通过混沌加密方式实现光波长相位加密系统，系统包含四个主要结构：混沌序列生成模块、波长扰动模块和相位扰动模块。在混沌序列生成模块，通过混沌模型生成两束混沌序列，分别为波长和相位扰动序列。波长扰动模块为波长选择开关，根据混沌序列调控波长选择开关中液晶，可以选择并输出任意波长的信号。相位扰动模块由级联空间光调制器(slm)构成，根据混沌序列调控空间光调制器，对信号相位进行加密。
[0078]
1、混沌序列生成模块
[0079]
混沌序列生成模块中的混沌模型选择的是lorenz模型，lorenz吸引子图如图1所示。lorenz映射是传统和经典的混沌加密方案，其生成加密混沌序列有三大优点：一是系统结构复杂度较低，系统变量的实数值序列更不可预测；二是对系统输出的实数值混沌序列进行处理，可产生单变量或多变量组合的加密混沌序列，使得加密序列的设计非常灵活；三是系统的三个初值和三个参数都可以作为生成加密混沌序列的种子密钥，若设计过程中在加入部分控制变量，加密算法的密钥空间将大大增加。三维lorenz映射可以表示为：
[0080][0081]
其中，ρ、r、β为参数，(x,y,z)为变量，满足ρ》0，ρ
·
r》0，β》0，当ρ＝9，r＝25，β＝8/3时，系统处于混沌状态。接着利用lorenz映射模型生成混沌序列，通过混沌序列生成掩蔽矢量，分别对信号的波长和相位进行掩蔽。通过混沌映射后产生三组序列(xn,y
p
,z
l
)，取其中一组xn用于生成波长加密矩阵xn。过程如下式所示，第n个波长的加密矩阵为：
[0082]
xn＝mat{[x
n-floor(xn)]
*
·
[x
n-floor(xn)]'},n＝1,2,
…
,n
ꢀꢀꢀ
(2)
[0083]
其中，xn为波长的加密矩阵；mat{}表示对矩阵中非整数元素取0；[]
*
表示对序列进行排序，n为总波长数。接着对信号的相位进行置乱，提取混沌序列中的y
p
生成一组掩蔽因子y
p
，如下式所示：
[0084][0085]
其中，floor{}表示向零取整。公式(3)意为取y
p
第u位小数和第v位小数组成一个新的二位数序列y
p
。
[0086]
2、波长扰动模块
[0087]
波长扰动由波长选择开关(wss)完成，基于硅基液晶(lcos)的波长选择开关主要由光纤阵列、准直透镜阵列、偏振转换光学元件、闪耀光栅、傅里叶透镜和lcos相位空间调制器组成，如图2所示。准直透镜将从光纤中出射的波分复用(wdm)光束从发散光束变为一束准直光束，通过偏振转换光学元件将光束变为同一偏振方向的线偏振光束，使之在lcos阵列区域获得更高的衍射效率。接着，闪耀光栅将线偏振光束按波长分离，解复用后的光束通过傅里叶透镜，聚焦至lcos相位空间调制器。不同波长的波分复用光束被入射到lcos液晶面板后会沿着z轴方向排成一列(λ1,λ2,λ3,λ4,
…
)，计算机通过驱动根据波长的加密矩阵
xn给lcos面板的不同位置加载不同阶梯的相位，lcos相位空间调制器被光束覆盖的区域对光束进行相位调制，根据混沌模型所生成的混沌序列选择对应的波长进行信号输出(λ2,λ4,λ1,λ3,
…
)。输出波长转换器将信号转换至对应的波长(λ1,λ2,λ3,λ4,
…
)，完成波长扰动加密。
[0088]
3、相位扰动模块
[0089]
相位的扰动由空间光调制器(slm)完成。纯相位液晶的空间光调制器的内部分子排列方式如图3所示，未加电压时，液晶分子平行排列。外加电压后，纯相位液晶的空间光调制器的内部分子排列方式如图4所示，液晶分子的光轴随着所加电压的大小呈现不同程度的旋转。纯相位液晶空间光调制器工作时，只对偏振方向与液晶光轴平行的入射光相位进行调制，即液晶分子中只有e光存在。
[0090]
在外加电场前，空间光调制器中液晶的e光相位延迟为：
[0091]
δ0＝πd(n
e-n0)/λ
ꢀꢀꢀ
(4)
[0092]
其中，d为液晶晶体的厚度，λ为入射光的波长，ne为e光的折射率，n0为空气折射率。
[0093]
工作时，空间光调制器外加电场，液晶中e光的折射率ne随液晶光轴的偏转而改变。空间光调制器中液晶的e光相位延迟为：
[0094]
δ0＝πd(n
e(θ)-n0)/λ
ꢀꢀꢀ
(5)
[0095]
其中，
[0096][0097]
θ为液晶分子指向矢量和电场方向的夹角。
[0098]
完成波长扰动后的信号输入纯相位型空间光调制器，空间光调制器根据相位扰动序列y
p
对液晶分子两端加载不同电平的电压，以对输入信号的相位进行扰动，扰动完成后输入波长选择开关进行复用。复用后的信号继续传输，完成加密。
[0099]
解密端为恢复出初始信号，步骤以上过程的逆过程。首先通过密钥生成两组解密序列，在wss端将复用的波长解复用，然后输入slm利用解密序列进行相位解扰。相位解扰后的信号通过wss进行波长解密，恢复至加密前的信息序列。
[0100]
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。
[0101]
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行一种通过混沌加密方式实现光波长相位加密方法。
[0102]
一种计算设备，包括一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行一种通过混沌加密方式实现光波长相位加密方法的指令。
[0103]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。
[0104]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、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。
[0105]
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。
[0106]
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。
[0107]
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。