針對正交頻分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)（OFDM-PON）中靜態(tài)密鑰產(chǎn)生的風(fēng)險,提出一種以信道相位信息作為動態(tài)密鑰的物理層混沌加密方案。通信雙方在相干時間內(nèi)估計上下行信道相位,得到混沌密鑰初值;利用一維混沌系統(tǒng)生成的混沌密鑰流對下行數(shù)據(jù)進行異或（XOR）加密和解密。該方案所得到的動態(tài)密鑰隨著時間的改變而不斷更新,因此物理層的安全性能得到提升。實驗結(jié)果表明,速率為3.625 Gb/s的16QAM的光OFDM信號經(jīng)長度為25 km標準單模光纖（SSMF）傳輸后,通信雙方的密鑰具有良好的一致性,密鑰空間達到10¹⁵,系統(tǒng)傳輸?shù)陌踩缘玫接行г鰪?可成功阻止非法用戶對傳輸數(shù)據(jù)的竊聽。 

【文章來源】：光學(xué)學(xué)報. 2020,40(10)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

動態(tài)密鑰生成框圖。

為驗證所提加密算法的安全性能,搭建了一個用于密鑰生成及混沌加密的OFDM-PON系統(tǒng),實驗結(jié)構(gòu)如圖2所示。本文采用的是全雙工強度調(diào)制/直接檢測(IM/DD)OFDM-PON傳輸系統(tǒng)。整個系統(tǒng)分為兩個部分,一是用于密鑰生成,二是用于下行數(shù)據(jù)加密。在密鑰生成階段,OLT和ONU1分別向?qū)Ψ桨l(fā)送OFDM信號以估計信道,其中每個OFDM符號由64個子載波組成,數(shù)據(jù)子載波為56個,其余為虛擬子載波,用作保護間隔。在進行快速傅里葉逆變換(IFFT)之前,需要對OFDM信號進行共軛運算,最終有效數(shù)據(jù)子載波為28個。實驗系統(tǒng)每隔5 min進行一次信道估計以更新密鑰。

為了驗證光纖信道的可用性,測量了不同時間下的子載波信道相位。為了曲線的清晰與美觀,同時不失一般性,取每隔5個子載波的子載波,研究其相位隨時間的變化趨勢,結(jié)果如圖3所示。第1號和第32號子載波是空子載波,不用于信道估計,同時為保證選取的子載波間隔均勻,故從第7號子載波開始。實驗所得的其他子載波的信道相位變化趨勢同圖3的5個子載波基本一致。從圖3可以看出:由于光纖信道比較穩(wěn)定,正常情況下相位的變化比較平穩(wěn);但OFDM信號的第31號子載波頻率高,而高頻受噪聲影響較大,估計出的信道不準確,所以其信道變化大且不規(guī)律。因此將第31、32號子載波作為虛擬子載波。上述結(jié)果表明,在生成密鑰時,選擇特性較好的子載波信道同時控制好量化精度,則利用所得到的量化相位值能分辨出相位的變化,這也為利用信道相位實現(xiàn)動態(tài)密鑰提供了可能。圖4顯示了兩個不同ONU的子載波信道相位,為不失一般性,取每隔10個子載波的子載波,研究其相位隨時間的變化趨勢,其余子載波信道變化趨勢與圖4基本一致。從圖4可以看出,不同時間下的不同ONU得到的信道相位值不同。每隔一段時間進行相位測量和估計,由于信道噪聲是隨機變化的,因此某些時刻的相位可能呈現(xiàn)明顯變化。圖4中前20號子載波在24 min內(nèi)的變化趨勢一致,之后相位變化趨勢出現(xiàn)不同,其他子載波信道的變化趨勢也存在差異。因此,不同信道的相位不同,從而保證了不同ONU具有不同的密鑰,并且非法ONU很難通過信道的有效信息得到合法ONU的密鑰。當密鑰不同時,混沌系統(tǒng)所生成的密鑰流也將不同且不可預(yù)測,這有效保證了加密系統(tǒng)的安全性。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]OFDM-PON系統(tǒng)中一種抑制峰均功率比的安全算法[J]. 韓夢欣,吳雅婷,張倩武,孫彥贊.  光學(xué)學(xué)報. 2019(05)



本文編號：3569299