針對通信竊聽問題,以"內(nèi)生安全光通信理論與技術(shù)研究"項目為研究背景,從信息層面、載波層面和調(diào)制后的信號層面,介紹了光纖物理層安全傳輸?shù)默F(xiàn)有技術(shù)發(fā)展。提出了一種基于量子噪聲流加密的光纖物理層安全傳輸技術(shù),將離散傅里葉變換擴展的正交頻分復(fù)用（DFTs-OFDM）引入基于正交幅度調(diào)制（QAM）的量子噪聲流加密傳輸系統(tǒng),在保證高頻譜利用率的同時,有效抵御非合作方的竊聽。研究結(jié)果表明:該傳輸技術(shù)實現(xiàn)了10 Gb/s的傳輸速率、無中繼傳輸距離達300 km的光纖傳輸,且Q因子超過9,信息截獲概率低于0.001%。 

【文章來源】：光通信技術(shù). 2020,44(04)北大核心

【文章頁數(shù)】：5 頁

【部分圖文】：

光網(wǎng)絡(luò)物理層安全技術(shù)概述圖

基于QAM的量子噪聲流加密原理如圖2所示。合法通信雙方使用的密鑰（狀態(tài)基）是絕對安全的[7]。調(diào)制器發(fā)出2×5路信號，分成正交等長的I路和Q路，其中每路進行的是25進制幅度調(diào)制，光的幅度變?yōu)槊芗嘀�，�?位數(shù)據(jù)就是狀態(tài)基。加密映射規(guī)則如式（1）所示，其中x是數(shù)據(jù)，u是狀態(tài)基，當(dāng)u是偶數(shù)時，Pol(u)=0；當(dāng)u是奇數(shù)時，Pol(u)=1。加密的帶噪聲的1024QAM信號星座圖如圖3所示，發(fā)送數(shù)據(jù)（1,Q)data=(1,1），狀態(tài)基（1,Q)base=(0100,0010），產(chǎn)生的加密信號是（1,Q)=(10100,10010）。在每個時隙中，QPSK星座隨不同的狀態(tài)基移動。加密的模擬信號十進制范圍是0～2m+l-1，其中m是數(shù)據(jù)長度，在圖3中m=1;l是狀態(tài)基長度，l=4。由于光束的電場有正有負(fù)，所以此時的信號范圍是-2m+l+1～2m+l-1。在合法接收端，使用反向的加密規(guī)則解密信號，對于I路信號的判決門限是2l/2=2l-1，光束中的判決門限是2l-(2m+l-1），圖3中的判決門限是8，光束中的判決門限是-15。歸一化后，I路在二進制的結(jié)果為01000，這個電平用來判決信號計算誤比特率。對于知道密鑰也就是狀態(tài)基的合法接收端來說，屬于同一狀態(tài)基的2個信號之間的信號距離足夠大，因此合法接收端可以基本無誤檢測信號；而Eve不知道狀態(tài)基，必須在噪聲存在的情況下區(qū)分1024（甚至更高階）QAM信號，因此無法得到正確信號。因此，本文可以通過增加信號的數(shù)量來提高Eve解密的難度，而合法接收端利用密鑰信息區(qū)分狀態(tài)基。換句話說，該加密技術(shù)通過合法接收方和竊聽者之間的信噪比（SNR）的巨大差異來建立安全性。

圖6為DSP模塊在發(fā)送端和接收端的處理流程圖。在發(fā)送端，首先將二進制偽隨機序列數(shù)據(jù)映射成正交相移鍵控（QPSK）格式，接著將QPSK信號轉(zhuǎn)換為經(jīng)過加密處理的QAM格式（其中，將1位QPSK數(shù)據(jù)與多位狀態(tài)基分別在I/Q路組合生成加密QAM信號）。然后，采用DFTs-OFDM技術(shù)實現(xiàn)2個波段攜帶有效載荷[8]，通過離散傅里葉變換（DFT）展開，將整個有效載荷分成兩部分。每部分采用256-DFT，將兩部分插入發(fā)射機帶寬中心；在高頻率部分填充0，用1024點離散逆傅里葉變換（IDFT）將頻域信號轉(zhuǎn)換為時域信號。最后，插入循環(huán)前綴（CP），其本質(zhì)是一個數(shù)據(jù)符號后面的一段數(shù)據(jù)復(fù)制到該符號的前面形成的循環(huán)結(jié)構(gòu)，這樣可以保證有時延的OFDM信號在DFT積分周期內(nèi)總是具有整數(shù)倍周期。在接收端，經(jīng)過時鐘同步后，先由1024-DFT將時域信號轉(zhuǎn)到頻域信號處理。因為經(jīng)過了300 km光纖信道的傳輸，所以先通過均衡技術(shù)最大程度地消除信道帶來的影響，然后以發(fā)送端相反順序處理，解出QPSK信號，再進行性能分析。圖4 基于量子噪聲流加密的長跨距無中繼光纖安全傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖


本文編號：3308411