本發(fā)明屬于無(wú)線(xiàn)通信，具體涉及一種基于動(dòng)態(tài)反饋混沌系統(tǒng)的v-ofdm安全傳輸方法、系統(tǒng)、設(shè)備及介質(zhì)。

背景技術(shù)：

1、目前，矢量正交頻分復(fù)用(v-ofdm)技術(shù)作為正交頻分復(fù)用(ofdm)的廣義擴(kuò)展方案，通過(guò)引入矢量塊的處理機(jī)制，在實(shí)現(xiàn)頻譜高效利用的同時(shí)，進(jìn)一步提升了對(duì)多徑干擾的抵抗性和信號(hào)的靈活適配能力。與傳統(tǒng)ofdm相比，v-ofdm通過(guò)將大規(guī)模的快速傅里葉變換(ifft)操作拆分為多個(gè)小規(guī)模的矢量ifft，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中可以靈活調(diào)整矢量塊的大小，以平衡數(shù)據(jù)速率、計(jì)算復(fù)雜度和傳輸可靠性。然而，v-ofdm系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中依然面臨幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)：其一，高峰值平均功率比(papr)問(wèn)題依然存在，由于矢量塊內(nèi)子載波的疊加效應(yīng)，時(shí)域信號(hào)的瞬時(shí)功率峰值可能更高，這會(huì)引發(fā)信號(hào)畸變，增加放大器的非線(xiàn)性失真，降低系統(tǒng)的傳輸性能；其二，現(xiàn)有物理層安全技術(shù)未針對(duì)v-ofdm的矢量塊結(jié)構(gòu)上進(jìn)行進(jìn)一步改善提升傳輸?shù)陌踩浴?/p>

2、現(xiàn)有的一些技術(shù)方案已經(jīng)嘗試在降低峰均比papr或物理層安全上進(jìn)行改進(jìn)。在降低峰均比papr方面，削波與濾波(clipping?and?filtering)技術(shù)通過(guò)限制信號(hào)的瞬時(shí)功率峰值降低papr，但會(huì)使信號(hào)原本的波形發(fā)生畸變，信號(hào)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的失真，并導(dǎo)致傳輸質(zhì)量下降。此外，傳統(tǒng)安全加密技術(shù)依賴(lài)上層的加密算法，算法復(fù)雜度較高。同時(shí)，采用星座圖旋轉(zhuǎn)加密后的對(duì)稱(chēng)性仍可能被竊聽(tīng)者利用，破解風(fēng)險(xiǎn)較高。因此，傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法有效解決v-ofdm系統(tǒng)安全傳輸與降低峰均比papr的雙重需求。

3、武漢卿(武漢卿.基于ofdm系統(tǒng)的物理層安全算法研究[d].江蘇科技大學(xué),2018.)提出了一種結(jié)合相位旋轉(zhuǎn)、密鑰矩陣與人工噪聲的復(fù)合加密方案。該方案通過(guò)動(dòng)態(tài)對(duì)角密鑰矩陣對(duì)發(fā)射符號(hào)進(jìn)行加密，并依據(jù)ofdm系統(tǒng)參數(shù)生成人工噪聲掩蔽信號(hào)。該方案采用該方法降低papr約為1.5db，同時(shí)保持非法解調(diào)誤碼率在0.5水平。

4、上述研究雖在物理層安全或papr優(yōu)化方面取得了一定進(jìn)展，但基于傳統(tǒng)ofdm框架的方案難以適應(yīng)v-ofdm的矢量塊結(jié)構(gòu)，未能有效利用其多維特性進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化。因此，現(xiàn)有技術(shù)不能有效解決v-ofdm系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)環(huán)境中的papr優(yōu)化與物理層安全的雙重需求，亟需一種能夠在v-ofdm系統(tǒng)中同時(shí)解決papr優(yōu)化與物理層安全的創(chuàng)新方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于動(dòng)態(tài)反饋混沌系統(tǒng)的v-ofdm安全傳輸方法、系統(tǒng)、設(shè)備及介質(zhì)，通過(guò)構(gòu)建基于動(dòng)態(tài)反饋因子的三維lorenz混沌映射模型，控制正交dft矩陣行列變換，采用動(dòng)態(tài)正交dft矩陣加密，降低了papr，避免傳統(tǒng)固定矩陣易被推導(dǎo)破解的問(wèn)題，充分利用v-ofdm的矢量塊特性，有效提升系統(tǒng)的物理層安全性。通過(guò)動(dòng)態(tài)正交dft矩陣的等距變換，對(duì)每個(gè)矢量塊獨(dú)立加密，使得加密后的信號(hào)在星座圖上呈現(xiàn)球狀混亂特性，使竊聽(tīng)者難以破解。同時(shí)，三維lorenz混沌映射模型的參數(shù)可以根據(jù)通信環(huán)境靈活調(diào)整，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性和抗干擾能力，滿(mǎn)足5g通信、物聯(lián)網(wǎng)等高安全性、低延遲場(chǎng)景的需求。通過(guò)本發(fā)明的方法，能夠以更低的代價(jià)實(shí)現(xiàn)更高效的安全通信，為v-ofdm系統(tǒng)提供可靠的物理層保護(hù)。此外，該方法計(jì)算復(fù)雜度低，生成過(guò)程簡(jiǎn)單，適用于實(shí)時(shí)通信場(chǎng)景，能夠顯著降低硬件和能耗成本。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

3、一種基于動(dòng)態(tài)反饋混沌系統(tǒng)的v-ofdm安全傳輸方法，包括如下步驟：

4、步驟1：在經(jīng)典三維lorenz混沌模型中引入動(dòng)態(tài)反饋因子，構(gòu)建三維lorenz混沌映射模型，生成混沌密鑰序列xi、yi和zi，將混沌密鑰序列xi、yi和zi映射到離散空間進(jìn)行量化；

5、步驟2：在加密階段，對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行m×l向量分組，得到m×l矩陣，并采用索引向量對(duì)m×l矩陣進(jìn)行行列置換；

6、步驟3：將標(biāo)準(zhǔn)dft矩陣分解為一組正交的行向量，并采用索引向量對(duì)分解后的dft矩陣進(jìn)行行列置換；將行列置換后的m×l矩陣與行列置換后的dft矩陣相乘，生成m×l加密矩陣；

7、步驟4：對(duì)m×l加密矩陣按行作l點(diǎn)進(jìn)行快速傅里葉逆變換，得到時(shí)域信號(hào)s＝[s0,s1,...,sl-1]；將時(shí)域信號(hào)s＝[s0,s1,...,sl-1]進(jìn)行并串變換，并添加循環(huán)前綴(cp)，生成發(fā)射信號(hào)

8、步驟5：發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)信道傳輸?shù)浇邮斩?，生成接收信?hào)；然后去除接收信號(hào)的循環(huán)前綴(cp)，并進(jìn)行與發(fā)射端相同的m×l分組操作得到時(shí)域接收信號(hào)y＝[y0,y1,...,yl-1]；隨后對(duì)時(shí)域接收信號(hào)y按行作l點(diǎn)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到頻域信號(hào)y＝[y0,y1,...,yl-1]；

9、步驟6：在解密階段，對(duì)采用步驟2相同的索引向量對(duì)頻域信號(hào)y進(jìn)行行列逆置換，同時(shí)對(duì)步驟3中分解后的dft矩陣求逆，得到dft逆矩陣，并采用步驟3相同的索引向量進(jìn)行行列逆置換；將行列逆置換后的頻域信號(hào)y與行列逆置換后的dft逆矩陣相乘，生成m×l解密矩陣；

10、步驟7：將m×l解密矩陣依次進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換和正交相移鍵控逆映射解調(diào)，輸出二進(jìn)制輸出數(shù)據(jù)。

11、所述步驟1中三維lorenz混沌映射模型的表達(dá)式如下：

12、

13、式中，a為普朗特?cái)?shù)，b為瑞利數(shù)，c為方向比，變量(x,y,z)分別表示系統(tǒng)狀態(tài)的三個(gè)動(dòng)態(tài)變量，且a>0，b>0，c>0；ζ0表示動(dòng)態(tài)反饋因子的初始值，∈表示動(dòng)態(tài)反饋因子在時(shí)間域內(nèi)波動(dòng)幅度的控制參數(shù)，μ表示反饋調(diào)制參數(shù)，ζ0>0,∈>0,μ>0。

14、所述步驟1中將合作通信發(fā)送方和合法用戶(hù)接收方共享的隨機(jī)初始值(x0,y0,z0)作為種子密鑰輸入到三維lorenz混沌映射模型中，并設(shè)置模型參數(shù)a、b、c、ζ0、∈、μ，迭代生成三組混沌密鑰序列xi、yi和zi。

15、所述步驟1中對(duì)混沌密鑰序列xi、yi和zi進(jìn)行量化的公式如下：

16、

17、式中，分別表示量化后的混沌密鑰序列。

18、所述步驟2中對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行m×l向量分組的過(guò)程如下：首先輸入數(shù)據(jù)為一個(gè)偽隨機(jī)二進(jìn)制序列構(gòu)成的數(shù)據(jù)塊，設(shè)置該數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度為n；對(duì)數(shù)據(jù)塊依次進(jìn)行串并變換和正交相移鍵控映射，然后將映射后的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行m×l分組，即分成l個(gè)矢量塊，每個(gè)矢量塊包含m個(gè)符號(hào)，滿(mǎn)足n＝lm，建立m×l矩陣。

19、所述步驟2中的索引向量通過(guò)對(duì)量化后的混沌密鑰序列dxi和dyi進(jìn)行排序得到，即在量化后的混沌密鑰序列dxi中隨機(jī)選取長(zhǎng)度為m的序列進(jìn)行升序排序，得到索引向量dx＝[d1,d2,...,dm]；同樣，在量化后的混沌密鑰序列dyi中隨機(jī)選取長(zhǎng)度為l的序列進(jìn)行升序排序，得到索引向量dy＝[d1,d2,…,dl]。

20、所述步驟3中的索引向量通過(guò)對(duì)量化后的混沌密鑰序列dxi和dzi進(jìn)行排序得到，即在量化后的混沌密鑰序列dxi中隨機(jī)選取長(zhǎng)度為m的序列進(jìn)行升序排序，得到索引向量d'x＝[d1,d2,…,dm]；從混沌密鑰序列dzi中隨機(jī)選取長(zhǎng)度為m的序列進(jìn)行升序排序，得到索引向量dz＝[d1,d2,…,dm]。

21、本發(fā)明還提供了一種基于動(dòng)態(tài)反饋混沌系統(tǒng)的v-ofdm安全傳輸系統(tǒng)，包括：

22、模型構(gòu)建模塊：在經(jīng)典三維lorenz混沌模型中引入動(dòng)態(tài)反饋因子，構(gòu)建三維lorenz混沌映射模型，生成混沌密鑰序列xi、yi和zi，將混沌密鑰序列xi、yi和zi映射到離散空間進(jìn)行量化；

23、加密模塊：在加密階段，對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行m×l向量分組，得到m×l矩陣，并采用索引向量對(duì)m×l矩陣進(jìn)行行列置換；同時(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)dft矩陣分解為一組正交的行向量，并采用索引向量對(duì)分解后的dft矩陣進(jìn)行行列置換；將行列置換后的m×l矩陣與行列置換后的dft矩陣相乘，生成m×l加密矩陣；

24、傳輸模塊：對(duì)m×l加密矩陣按行作l點(diǎn)進(jìn)行快速傅里葉逆變換，得到時(shí)域信號(hào)s＝[s0,s1,...,sl-1]；將時(shí)域信號(hào)s＝[s0,s1,...,sl-1]進(jìn)行并串變換，并添加循環(huán)前綴(cp)，生成發(fā)射信號(hào)然后發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)信道傳輸?shù)浇邮斩?，生成接收信?hào)；然后去除接收信號(hào)的循環(huán)前綴(cp)，并進(jìn)行與發(fā)射端相同的m×l分組操作得到時(shí)域接收信號(hào)y＝[y0,y1,...,yl-1]；隨后對(duì)時(shí)域接收信號(hào)y按行作l點(diǎn)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到頻域信號(hào)y＝[y0,y1,...,yl-1]；

25、解密模塊：對(duì)采用加密模塊中相同的索引向量對(duì)頻域信號(hào)y進(jìn)行行列逆置換，同時(shí)對(duì)加密模塊中分解后的dft矩陣求逆，得到dft逆矩陣，并采用步驟3相同的索引向量進(jìn)行行列逆置換；將行列逆置換后的頻域信號(hào)y與行列逆置換后的dft逆矩陣相乘，生成m×l解密矩陣；

26、輸出模塊：將m×l解密矩陣依次進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換和正交相移鍵控逆映射解調(diào)，輸出二進(jìn)制輸出數(shù)據(jù)。

27、本發(fā)明還提供了一種基于動(dòng)態(tài)反饋混沌系統(tǒng)的v-ofdm安全傳輸設(shè)備，包括：

28、存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)上述的一種基于動(dòng)態(tài)反饋混沌系統(tǒng)的v-ofdm安全傳輸方法的計(jì)算機(jī)程序，為計(jì)算機(jī)可讀取的設(shè)備；

29、處理器：用于執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)實(shí)現(xiàn)上述的一種基于動(dòng)態(tài)反饋混沌系統(tǒng)的v-ofdm安全傳輸方法。

30、本發(fā)明還提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)上述的一種基于動(dòng)態(tài)反饋混沌系統(tǒng)的v-ofdm安全傳輸方法。

31、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

32、1.本發(fā)明首次將混沌加密技術(shù)與v-ofdm系統(tǒng)相結(jié)合，創(chuàng)新性地通過(guò)m×l矩陣和正交的dft矩陣提升了系統(tǒng)的安全性。該方法能夠有效應(yīng)對(duì)v-ofdm在高動(dòng)態(tài)環(huán)境中的安全性挑戰(zhàn)，為未來(lái)高動(dòng)態(tài)通信場(chǎng)景下v-ofdm的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并為后續(xù)安全性與可靠性技術(shù)的研究和實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)和工程參考。

33、2.本發(fā)明采用改進(jìn)的三維lorenz混沌系統(tǒng)，通過(guò)引入動(dòng)態(tài)反饋因子，顯著增強(qiáng)了混沌序列的隨機(jī)性和初值敏感性，從而生成了更高隨機(jī)性和不可預(yù)測(cè)性的混沌序列。

34、3.本發(fā)明結(jié)合混沌序列生成索引向量對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)行列置換，并引入隨機(jī)化的dft矩陣進(jìn)行加密處理，易于實(shí)現(xiàn)，使加密后星座圖呈現(xiàn)球狀混亂狀態(tài)，極大提升了系統(tǒng)對(duì)信號(hào)截獲的抵抗能力，有效增強(qiáng)了物理層的安全性。

35、4.傳統(tǒng)v-ofdm系統(tǒng)由于采用多載波調(diào)制方式，存在峰均比(papr)高的問(wèn)題，容易導(dǎo)致功率放大器進(jìn)入非線(xiàn)性工作區(qū)，從而引發(fā)信號(hào)失真和能量效率降低。本發(fā)明通過(guò)引入dft矩陣的動(dòng)態(tài)行列置換，優(yōu)化了信號(hào)在頻域內(nèi)的能量分布，可以顯著降低瞬時(shí)峰值功率，避免了帶外干擾和非線(xiàn)性失真。同時(shí)，混沌索引對(duì)dft矩陣的隨機(jī)化處理，進(jìn)一步提升了信號(hào)頻譜的復(fù)雜性，有效防止了能量聚集和固定頻譜位置的出現(xiàn)，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的傳輸可靠性，解決了現(xiàn)有技術(shù)中papr過(guò)高導(dǎo)致的信號(hào)質(zhì)量下降的問(wèn)題。