基于保守数字混沌序列的OFDM-PON系统物理层加密算法研究

作     者：周玉鑫 

作者单位：杭州电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：毕美华

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：OFDM-PON 保守数字混沌 物理层加密 PAPR降低 分形理论 三维Arnold 

摘      要：光纤接入网作为承接用户和骨干网络信息连接的桥梁,其接入带宽和系统安全性方面随着社会信息化程度的不断提高而受到越来越大的挑战。而正交频分复用无源光网络(Orthogonal Frequency Division Multiplexing-Passive Optical Networks,OFDM-PON)作为下一代无源光网络(Passive Optical Networks,PON)系统的候选技术因具有频谱利用率高、抗光纤色散能力强以及动态资源分配等优势,成为了当前光接入网系统的研究热点。由于PON系统天然的点到多点的通信方式和集中式控制的网络构架,PON系统下行数据极易被非法用户窃取。与此同时,OFDM信号因子载波信号叠加造成峰均功率比(Peak-to-Average-Power-Ratio,PAPR)过高问题,限制基于OFDM的PON系统性能。此外,基于传统数字混沌系统的OFDM-PON数据加密中存在数字混沌序列容易被重构的问题,而保守数字混沌序列不存在混沌吸引子,涉及的相空间范围更大且分布更均匀。因此,本文研究基于保守数字混沌序列的OFDM-PON物理层数据加密,主要研究内容如下:(1)分析了OFDM-PON物理层加密的研究意义,介绍了在OFDM-PON系统中基于保守数字混沌序列的物理层加密的基本原理和主要特性,分析了国内外研究方案所存在的缺陷。(2)设计了改进型Sprott-A保守数字混沌系统和四维哈密顿保守数字混沌系统用于OFDM-PON物理层数据加密,并通过主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)扰乱保守数字混沌的状态,达到解决数字混沌系统数字退化的目的。最后,计算两种保守数字混沌序列生成方案李雅普诺夫指数,验证其混沌特性,并且分别进行了随机性测试,表明这两种保守数字混沌序列适合用于OFDM-PON物理层数据加密。(3)针对OFDM-PON物理层数据安全和OFDM信号高PAPR问题,提出了一种基于三维Arnold变换和混沌Frank序列的OFDM-PON系统物理层加密以及系统增强算法。该方案,首次创新性提出基于PCA的改进的保守数字混沌系统产生的混沌序列;再者,利用该序列控制三维Arnold变换进行加密,增加了系统的密钥空间;接着加密数据通过混沌序列随机选择的Frank序列实现对数据加密的同时降低OFDM信号的PAPR。通过仿真实验,该加密方案可生成约10的密钥空间,提高了本OFDM-PON系统物理层安全性。(4)针对极具威胁的选择明文攻击,提出了基于混沌Joseph环与分形系统加密算法,设计一种四维哈密顿保守数字混沌系统,增强保守混沌序列的随机性,并通过混沌Joseph环使得密文之间的相互关联,保证保守数字混沌系统的随机性扩散到全部数据;同时利用分形矩阵实现OFDM信号的相位置乱加密。通过搭建仿真实验,证明了加密算法增强了系统的抗明文攻击能力。