針對(duì)正交頻分復(fù)用無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（OFDM-PON）中靜態(tài)密鑰產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn),提出一種以信道相位信息作為動(dòng)態(tài)密鑰的物理層混沌加密方案。通信雙方在相干時(shí)間內(nèi)估計(jì)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(duì)下行數(shù)據(jù)進(jìn)行異或（XOR）加密和解密。該方案所得到的動(dòng)態(tài)密鑰隨著時(shí)間的改變而不斷更新,因此物理層的安全性能得到提升。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,速率為3.625 Gb/s的16QAM的光OFDM信號(hào)經(jīng)長(zhǎng)度為25 km標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到10¹⁵,系統(tǒng)傳輸?shù)陌踩缘玫接行г鰪?qiáng),可成功阻止非法用戶對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的竊聽。 

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

【文章頁(yè)數(shù)】：7 頁(yè)

【部分圖文】：

動(dòng)態(tài)密鑰生成框圖。

為驗(yàn)證所提加密算法的安全性能,搭建了一個(gè)用于密鑰生成及混沌加密的OFDM-PON系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。本文采用的是全雙工強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)(IM/DD)OFDM-PON傳輸系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)分為兩個(gè)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(hào)以估計(jì)信道,其中每個(gè)OFDM符號(hào)由64個(gè)子載波組成,數(shù)據(jù)子載波為56個(gè),其余為虛擬子載波,用作保護(hù)間隔。在進(jìn)行快速傅里葉逆變換(IFFT)之前,需要對(duì)OFDM信號(hào)進(jìn)行共軛運(yùn)算,最終有效數(shù)據(jù)子載波為28個(gè)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)每隔5 min進(jìn)行一次信道估計(jì)以更新密鑰。

為了驗(yàn)證光纖信道的可用性,測(cè)量了不同時(shí)間下的子載波信道相位。為了曲線的清晰與美觀,同時(shí)不失一般性,取每隔5個(gè)子載波的子載波,研究其相位隨時(shí)間的變化趨勢(shì),結(jié)果如圖3所示。第1號(hào)和第32號(hào)子載波是空子載波,不用于信道估計(jì),同時(shí)為保證選取的子載波間隔均勻,故從第7號(hào)子載波開始。實(shí)驗(yàn)所得的其他子載波的信道相位變化趨勢(shì)同圖3的5個(gè)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(hào)的第31號(hào)子載波頻率高,而高頻受噪聲影響較大,估計(jì)出的信道不準(zhǔn)確,所以其信道變化大且不規(guī)律。因此將第31、32號(hào)子載波作為虛擬子載波。上述結(jié)果表明,在生成密鑰時(shí),選擇特性較好的子載波信道同時(shí)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)密鑰提供了可能。圖4顯示了兩個(gè)不同ONU的子載波信道相位,為不失一般性,取每隔10個(gè)子載波的子載波,研究其相位隨時(shí)間的變化趨勢(shì),其余子載波信道變化趨勢(shì)與圖4基本一致。從圖4可以看出,不同時(shí)間下的不同ONU得到的信道相位值不同。每隔一段時(shí)間進(jìn)行相位測(cè)量和估計(jì),由于信道噪聲是隨機(jī)變化的,因此某些時(shí)刻的相位可能呈現(xiàn)明顯變化。圖4中前20號(hào)子載波在24 min內(nèi)的變化趨勢(shì)一致,之后相位變化趨勢(shì)出現(xiàn)不同,其他子載波信道的變化趨勢(shì)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(guò)信道的有效信息得到合法ONU的密鑰。當(dāng)密鑰不同時(shí),混沌系統(tǒng)所生成的密鑰流也將不同且不可預(yù)測(cè),這有效保證了加密系統(tǒng)的安全性。

【參考文獻(xiàn)】：
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(mèng)欣,吳雅婷,張倩武,孫彥贊.  光學(xué)學(xué)報(bào). 2019(05)



本文編號(hào)：3569299