CN101068130B - 光保密通信系统及保密方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光保密通信系统及保密方法。本系统包括一个由发射机光路和发射机电路组成的发射机及一个由接收机光路和接收机电路组成的接收机，所述的发射机光路通过光纤链路连接所述的接收机光路，所述的发射机电路中有发射机编码芯片，所述的接收机电路中有接收机解码芯片，所述的发射机编码芯片采用4种调制编码方式，并按照片内实时产生的2路伪随机序列的顺序选用具体的调制编码方式，将明文调制并发送；在同一时钟周期内，所述的接收机解码芯片根据其内部同步的2路伪随机序列采用相应的调制解码方式，进而解调出发送的原始明文序列。本发明的系统发射机在基于数字混沌的伪随机序列控制下，将明文序列用不同的PolSK方式调制到相应的偏振态上，向信道发送加密的偏振态随机码流。系统接收机从接收到的偏振态随机码流中提取同步时基，在同步的伪随机序列控制下，采用相应的PolSK调制方式解调出明文序列。本发明能达到有效保密效果。

Description

光保密通信系统及保密方法

技术领域

本发明涉及一种光保密通信系统和方法，是一种适用于偏振移位键控(PolSK)光通信系统的光保密通信系统和方法。

背景技术

Benedetto等人在上世纪九十年代将基于偏振调制的偏振移位键控技术引入到光数字通信中，并开始引起人们的注意。PolSK系统与传统的光通信系统相比具有在光纤传输过程中免受光源相位噪声、量子限噪声的影响等优点，适合于多二进制或多电平调制的光通信。

人们对光保密通信的研究主要集中在物理层，如混沌或量子光保密通信等。由于以前的伪随机序列发生器速率低，无法与光通信的高速率相匹配，不能实现数据层0、1比特流与伪随机序列逐位异或地加密，即无法实现流密码加密。随着ASIC技术的发展，可以实现速率为几百MHz的伪随机序列发生器，初步适应光通信的高速率。

流密码是指利用少量的密钥通过某种复杂的密码算法产生大量的伪随机位流，用以对明文位流的加密。1989年R.Mathews、D.wheeler等人首次将数字混沌用于流密码与保密通信中，数字混沌开始引起人们的关注。

发明内容：

本发明的目的在于提出一种光保密通信系统及保密方法，将数字混沌与偏振移位键控技术相结合，在数字混沌的控制下，将数据层的明文位流以不同的PolSK方式调制到物理层的光偏振态流上，使之复杂化与随机化，从而达到更为有效的保密效果。为达到上述的发明目的，本发明的构思是：

图1列出了四种不同的PolSK星座图。其中图(a)表示2-PolSK的星座图。图(b)为3偏振态星座图，可用于Duobinary-PolSK或2-DPolSK(DPolSK为差分偏振移位键控技术)，图(c)表示四偏振态星座图，可用于四电平DD-PolSK(其中DD表示直接检测)，也可用于3-DPolSK。图(d)为6-PolSK或4-DPolSK的星座图。综合图1可知，S2＝—1点表示—45°线偏振态，在图(a)星座图中，表示一位已调二进制信号；在(b)星座图中，如采用2-DPolSK，则—45°线偏振态本身不调制任何信息，而它与前一码元周期内偏振态的相互关系被调制了一位二进制信息。图(c)中，—45°线偏振态代表2位二进制信息。同时，在图(d)中，可能表示3位二进制信息。由此可见，一个偏振态在不同的PolSK方式中调制了不同的信息(位数和数值)。

对于图2这样的星座图，有 $C_6^2\×P_2^1=30$ 种2-PolSK方式、 $C_6^3\×P_3^3=120$ 种Duobinary-PolSK方式、 $C_6^3\×C_3^2\×P_2^1=120$ 种2-DPolSK方式、 $C_6^4\×P_4^4=360$ 种4-PolSK调制方式、至少 ${(C_6^4\×P_4^4)}^6=2.18\×{10}^{15}$ 种4-DPolSK方式。假设在其中选取8种PolSK调制方式，约有1.28×10¹¹⁸种组合选择。当星座点多于6个偏振态或选取的调制方式多于8种时，可选的调制方式组合将远大于1.28×10¹¹⁸。

根据以上原理，提出一种基于偏振移位键控技术的光保密通信系统加密方法：物理层选用若干个固定的偏振态，则基于上述偏振态的PolSK调制方式种类繁多。从上述PolSK方式中任意选取2ⁿ种作为通信系统的调制方式，则它们所涉及到的偏振态相互间部分或完全重叠，且可选PolSK方式组合种类数量巨大。发送端编码芯片，含有n个基于混沌映射高速伪随机序列发生器，通过一个n-2ⁿ译码器分别控制2ⁿ种不同的PolSK调制编码。在高速伪随机序列发生器组的控制下，在不同系统时钟周期用不同PolSK方式将明文位流调制到光偏振态流上。接收端解码芯片，在n个同步的伪随机序列发生器和相同的译码器控制下，用相应的PolSK解码方式解调和恢复出明文位流。

由于控制序列的混沌随机性，使得系统在不同时钟周期采用的调制方式也带有混沌随机性；同时由于攻击者很难从庞大PolSK方式组合中破解出系统使用的特定PolSK方式组合。上述特点使得攻击者很难确定系统在每个时钟周期内采用了何种PolSK调制方式，从而在物理层与数据层之间建立了加密屏障。该保密方案将特定的PolSK方式组合与数字混沌系统组合作为密钥，将明文序列加密并调制到偏振态流上。传统的光保密系统往往采用一种调制方案，当攻击者窃取了传输信号后通过调制方式的识别，便能得到发送的比特流信息。对于本发明提出的系统，攻击者很难根据物理层的偏振态流破解出数据层的比特流信息。

根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种光保密通信系统，包括一个由发射机光路和发射机电路组成的发射机及一个由接收机光路和接收机电路组成的接收机，所述的发射机光路通过光纤链路连接所述的接收机光路，所述的发射机电路中有发射机编码芯片，所述的接收机电路中有接收机解码芯片，所述的发射机编码芯片采用4种调制编码方式，并按照片内实时产生的2路伪随机序列的顺序选用具体的调制编码方式，将明文调制并发送；在同一时钟周期内，所述的接收机解码芯片根据其内部同步的2路伪随机序列采用相应的调制解码方式，进而解调出发送的原始明文序列。

上述的发射机光路的结构是：一个光源输出光束经一个线偏振器后由一个偏振分束器分为两路，分别连接至2个光相位调制器，再经一个偏振合束器及一个偏振分束器后分为两路，其中一路经过一个光相位调制器，两路经一个偏振合束器合束后输入所述的光纤链路；所述的各器件连接线均为保偏光纤。

上述的接收机光路的结构是：由所述的光纤链路传输的光束经一个稳偏仪、再经一个1×3保偏分路器后分成三路：一路经一个1/4波片连接至一个偏振分束器，而另二路直接连接至二个偏振分束器，所述的三个偏振分束器的输出分别级联6个光电探测器；所述的各器件连接线均为保偏光纤。

上述的发射机电路的结构是：所述的编码芯片有2路明文序列输入及3路光相位调制器驱动电压输出d₁、d₂、d₃；3路驱动电压分别经三个基于运放的可调限幅电路再经三个功率放大器后驱动所述的发射机光路中的3个光相位调制器。

上述的接收机电路的结构是：所述的接收机光路的6个光电探测器输出连接至三个运放电路后转换为3路电信号，分别经三个低通滤波、三个变压器、三个两级差分放大器和三个A/D转换器后输入所述的解码芯片，解码芯片输出明文序列。

一种光保密通信的保密方法，采用上述的光保密通信系统进行保密通信，其特征在于采用4种偏振移位键控调制方式；在物理层选取固定的6个光偏振态的前提下，是基于上述6偏振态的2-PolSK，2-DPolSK，四电平DD-PolSK，6-PolSK或4-DPolSK等方式。

上述的编码芯片基于如下工作方式：片内利用2个数字混沌映射(Logistic、Henon)产生2路伪随机控制序列，通过一个2—4译码器分别控制4种不同的PolSK编码方式。编码芯片根据实时产生的2路控制序列经译码器选择一种PolSK编码方式，将明文调制到该PolSK方式中的相应偏振态上，即产生相应的3路调相器驱动电压d₁、d₂、d₃，驱动光路向信道发送上述的一个偏振态。

上述的解码芯片基于如下工作方式：片内含有与编码芯片同步的2路伪随机控制序列发生器，相同的2—4译码器及对应的4种不同的PolSK解码方式。解码芯片根据实时产生的同步控制序列经译码器选择一种PolSK解码方式，将输入的Stokes参数(S₁、S₂、S₃)解码，并输出明文。

在上述的光保密通信的保密方法中，将4种PolSK与2种数字混沌系统组合作为密钥，将明文加密并调制到偏振态码流上。

本发明与现有技术相比具有如下的突出特点和显著优点：本发明提出将特定的数字混沌组合与几种PolSK调制方式作为系统密钥，将数据层明文位流加密并调制到偏振态码流上。即将数据层和物理层之间的关系复杂化与随机化，从而达到保密的效果。传统技术往往只采用一种调制方式，本发明利用数字混沌控制多种PolSK调制方式的选用，增加了系统的保密性。

附图说明：

图1为四种PolSK的星座图。

图2为本发明物理层所用的6偏振态星座图。

图3为本发明的系统结构框图。

图4为本发明的编/解码芯片内部逻辑框图。

具体实施方案举例

本发明的一个优选实施例：参见图2、图3、图4及表1、表2、表3。本实例物理层选取图2所示6个偏振态，采用基于以上6偏振态的4种四电平调制PolSK，如表2、3所示。系统组成如图3、4所示。

系统的元件：

参见图3，发射机由光路部分10及电路部分13组成。其中光路部分10由光源1、线偏振器2、偏振分束器3、7、光相位调制器4、5、8、偏振合束器6、9构成；电路部分13由编码芯片31、三个运方电路32、33、34和三个功率放大器35、36、37构成。光源1为AV38124A光源；线偏振器2为General Photonics公司的PLC-004-FC/PC-7线偏振器；偏振分束器3、7均采用General Photonics公司的PBS-001-P-03-SM-FC/PC；偏振合束器6、9均采用General Photonics公司的PBC-001-P-03-SM-FC/PC；相位调制器4、5、8采用CRYSTAL TECHNOLOGY公司的Model2088；电路部分13中31为编码芯片，采用ALTERA公司的可编程FPGA芯片EP2C8Q208C8；运放32、33、34为ANALOG DEVICES公司的AD8099型宽带运放；功率放大器35、36、37为固定增益宽带功率放大器，采用MiniCircuit公司的ZFL-2500VH。11、12为两路待发送的明文序列。光纤链路14为标准单模光纤链路。

接收机由光路部分15及电路部分28组成。其中光路部分15由稳偏仪16、保偏分路器17、1/4波片18、三个偏振分束器19、20、21和6个光电探测器22、23、24、25、26、27构成；电路部分28由三个运放电路38、39、40、三个低通滤波器41、42、43、三个变压器44、45、46、六个差分放大器47、48、49、50、51、52、三个A/D转换器53、54、55和一个解码芯片56构成。稳偏仪16为General Photonics公司的POS-103A稳偏仪；保偏分路器17为上海康阔公司提供的1×3保偏分路器；1/4波片18采用京永光电公司的产品；偏振分束器19、20、21均采用GeneralPhotonics公司的PBS-001-P-03-SM-FC/PC；6个光电探测器22、23、24、25、26、27均采用深圳飞通公司PT4153-5系列中的OC-24PIN+TIA Receiver Module；电路部分28中运放38、39、40为ANALOG DEVICES公司的AD8099型宽带运放；低通滤波器41、42、43由RC电路构成；宽带变压器44、45、46采用线艺公司的WBC1-1TLB；六个差分宽带放大器47、48、49、50、51、52均采用ANALOG DEVICES公司的AD8351；A/D转换器53、54、55均为ANALOG DEVICES公司的高速模/数转换器AD9480；解码芯片56采用ALTERA公司的可编程FPGA芯片EP2C8Q208C8。29、30为解调出的明文序列。

编/解码芯片31、56均通过QUARTUSII6.0用Verilog HDL语言进行配置，配置后的内部逻辑如图4所示。编/解码芯片由时钟分配逻辑模块、混沌伪随机序列发生器逻辑模块、同步逻辑模块、译码器逻辑模块及编/解码逻辑模块组成。其中混沌伪随机序列逻辑模块基于Logistic和Henon两混沌映射，并采取一定的周期延长处理。

各元件之间的连接和工作原理如下：

光源1向线偏振器2输入连续光波，经偏振器2后变为-45°线偏振光，输入偏振分束器3后分为X方向与Y方向两正交线偏振光，X方向输入90°光相位调制器4、Y方向输入180°光相位调制器5，两调相器输出经偏振合束器6合成一束偏振光。当光相位调制器4、5均没有电压驱动时，偏振合束器6的输出为-45°线偏振光，即图2中的1；当光相位调制器4有电压驱动时，偏振合束器6的输出为左旋圆偏振光，即图2中的6；当光相位调制器5有电压驱动时，偏振合束器6的输出为45°线偏振光，即图2中的2；当光相位调制器4、5均有电压驱动时，偏振合束器6的输出为右旋圆偏振光，即图2中的5。偏振合束器6的输出经过倾斜45°的偏振分束器7后分为两路正交偏振光，其中一路直接输入倾斜45°的偏振合束器9、另一路经90°光相位调制器8后输入偏振合束器9。同理可得3个调相器4、5、8的驱动电压d₁、d₂、d₃与偏振合束器9的输出偏振态的关系如表1所示。偏振合束器9的输出直接与光纤链路14相连接。明文序列Data1(11)、Data2(12)输入编码芯片31后，经PolSK调制编码并输出调相驱动电压d₁、d₂、d₃(lvttl电平)，3路调相器驱动电压d₁、d₂、d₃经由运放32、33、34构成的可调衰减电路限幅后，输入固定增益功率放大器35、36、37，它们的输出分别连接光相位调制器4、5、8。

偏振光信号经过光纤链路时由于温度等影响，导致偏振态发生了慢变化。偏振光波首先到达接收机的稳偏仪16，用以去除光纤链路14中的慢干扰，再经1×3保偏分路器17分为光强、偏振都相同的3路偏振光。其中1路输入0°的偏振分束器19、1路输入倾斜45°的偏振分束器20、1路经过1/4波片18与0°的偏振分束器21。偏振分束器19、20、21的6个输出分别连接6个光电探测器22、23、24、25、26、27。6个光电探测器的输出经由运放38、39、40构成的减法器后输出3路Stokes电信号S₁、S₂、S₃。S₁、S₂、S₃经低通滤波器41、42、43去除高频噪声，再输入宽带变压器44、45、46转换为差分信号。差分信号S₁、S₂、S₃经差分放大器47、48、49、50、51、52两级放大后，它们的幅度达到了A/D转换器53、54、55的动态范围。A/D转换器53、54、55的输出分别为S₁、S₂、S₃的并行数字信号，并行输入解码芯片56。解码芯片56将Stokes参数解调并输出明文序列Data1(29)、Data2(30)。

系统上电后，编码芯片31内同步逻辑模块在系统时钟的触发下，产生包含同步时基的同步序列，顺序输入编码模块，输入完成后向伪随机序列发生器逻辑模块发送使能信号。序列发生器逻辑包含2个基于混沌的伪随机序列发生器，并行输入片内的2—4译码器，序列发生器逻辑需同步逻辑的使能信号与系统时钟触发方能启动。编码芯片31利用一个2—4译码器分别控制4种如表2、3所示的PolSK调制编码。同步序列发送阶段内，由于序列发生器组尚未启动，译码器输入均为0，则编码芯片31始终用表2中第一种4—PolSK将同步序列调制到相应的偏振态流上，即产生与偏振态流相对应的调相器驱动序列d₁、d₂、d₃，分别输入3个光相位调制器4、5、8，发射机光路10根据表1的对应关系向光纤链路14发送光偏振态流。调制着同步序列的光偏振态流到达接收机后，转化为并行数字信号S₁、S₂、S₃同时输入解码芯片56。解码芯片56与编码芯片31相对应，通过一个2—4译码器分别控制如表2、3所示的4种PolSK调制解码。由于解码芯片56同步逻辑模块未发送使能信号，序列发生器逻辑模块处于非启动状态，则译码器输入均为0。同步序列发送阶段内，解码芯片56始终用表2的第一种4—PolSK解调Stokes参数并向同步逻辑模块输入解调后的同步序列。同步逻辑模块识别到同步序列中的同步时基后，使能片内序列发生器，将其与编码芯片31的序列发生器置于同步状态。

系统两芯片31、56内基于混沌的伪随机序列发生器同步后，进入明文发送阶段。在系统时钟的触发下，编码芯片31的混沌序列发生器逻辑模块不断产生2路伪随机序列，利用译码器实时控制表2、3所示的4种PolSK调制编码。一个系统时钟周期内，编码芯片31根据实时产生的2路伪随机序列经译码器选择表2、3的一种PolSK调制方式，将当前时钟周期内输入的明文Data1(11)、Data2(12)用选中的PolSK进行调制，将明文调制到该PolSK方式中的相应偏振态上，即根据表1产生与该偏振态相对应的调相器驱动序列d₁、d₂、d₃，以驱动发射机光路10向信道发送一个加密的光偏振态。接收端在同一系统周期内，把接收到的光偏振态转化为数字化的Stokes参数，并行输入解码芯片56。解码芯片56在同步的序列发生器实时控制下选择相应的PolSK调制解码，根据Stokes参数解调出明文Data1(29)、Data2(30)并输出。

表1d₁，d₂，d₃、S₁，S₂，S₃与偏振态对应关系

 

d<sub>1</sub>，d<sub>2</sub>，d<sub>3</sub>	(0，0，0)	(1，0，0)	(0，1，1)	(1，1，1)	(1，1，0)	(0，1，0)
							Polarization	(1)	(2)	(3)	(4)	(5)	(6)
S<sub>1</sub>S<sub>2</sub>S<sub>3</sub>	(0，-1，0)	(0，1，0)	(1，0，0)	(-1，0，0)	(0，0，1)	(0，0，-1)

表2调制方案组合

 

两路伪随机序列	00	01	10	11
					对应PolSK方案	(1)(3)(4)(6)四偏振态的4-POLSK：(1)--“00”(3)--“01”(4)--“10”(6)--“11”	(1)(2)(5)(6)四偏振态的4-POLSK：(2)--“00”(1)--“01”(6)--“10”(5)--“11”	(1)(2)(3)(4)(5)(6)六偏振态的4-DPOLSK：差分编码如表3所示	(2)(3)(4)(5)四偏振态的4-POLSK：(3)--“00”(4)--“01”(2)--“10”(5)--“11”

表3差分编码表

 

(d<sub>1</sub>d<sub>2</sub>d<sub>3</sub>)<sub>n-1</sub>	(Data<sub>1</sub>Data<sub>2</sub>)<sub>n</sub>	(d<sub>1</sub>d<sub>2</sub>d<sub>3</sub>)<sub>n</sub>
			000	00011011	111100110000
101	00011011	100000111011
			011	00011011	111000011110
111	00011011	000111011010
			110	00011011	010000011111
010	00011011	011100010111

Claims (6)

1.一种光保密通信系统，包括一个由发射机光路(10)和发射机电路(13)组成的发射机及一个由接收机光路(15)和接收机电路(28)组成的接收机，所述的发射机光路(10)通过光纤链路(14)连接所述的接收机光路(15)，所述的发射机电路(13)中有发射机编码芯片(31)，所述的接收机电路(28)中有接收机解码芯片(56)，其特征在于：所述的发射机电路(13)的结构是：所述的编码芯片(31)有2路明文序列(11、12)输入及3路光相位调制器驱动电压输出(d₁、d₂、d₃)；3路驱动电压分别经三个基于运放(32、33、34)的可调限幅电路，再经三个功率放大器(35、36、37)后驱动所述的发射机光路(10)中的3个光相位调制器(4、5、8)；所述的发射机光路(10)的结构是：一个光源(1)输出光束经一个线偏振器(2)后由一个偏振分束器(3)分为两路，分别连接至2个光相位调制器(4、5)，再经一个偏振合束器(6)及一个偏振分束器(7)后分为两路，其中一路经过一个光相位调制器(8)，两路经一个偏振合束器(9)合束后输入所述的光纤链路(14)；所述的各器件连接线均为保偏光纤；所述的发射机编码芯片(31)采用4种调制编码方式，并按照片内实时产生的2路伪随机序列的顺序选用具体的调制编码方式，将明文调制并发送；在同一时钟周期内，所述的接收机解码芯片(56)根据其内部同步的2路伪随机序列采用相应的调制解码方式，进而解调出发送的原始明文序列；所述的编码芯片(31)基于如下工作方式：片内利用2个数字混沌映射(Logistic、Henon)产生2路伪随机控制序列，通过一个2-4译码器分别控制4种不同的PolSK编码方式。编码芯片(31)根据实时产生的2路控制序列经译码器选择一种PolSK编码方式，将明文(11、12)调制到该PolSK方式中的相应偏振态上，即产生相应的3路调相器驱动电压(d₁、d₂、d₃)，驱动光路(10)向信道发送上述的一个偏振态。

2.根据权利要求1所述的光保密通信系统，其特征在于所述的接收机光路(15)的结构是：由所述的光纤链路(14)传输的光束经一个稳偏仪(16)、再经一个1×3保偏分路器(17)后分成三路：一路经一个1/4波片(18)连接至一个偏振分束器(21)，而另二路直接连接至二个偏振分束器(19、20)，所述的三个偏振分束器(21、19、20)的输出分别级联6个光电探测器(22、23、24、25、26、27)；所述的各器件连接线均为保偏光纤。

3.根据权利要求2所述的光保密通信系统，其特征在于所述的接收机电路(28)的结构是：所述的接收机光路(15)的6个光电探测器(22、23、24、25、26、27)输出连接至三个运放电路(38、39、40)后转换为3路电信号，分别经三个低通滤波(41、42、43)、三个变压器(44、45、46)、三个两级差分放大器(47、48、49、50、51、52)和三个A/D转换器(53、54、55)后输入所述的解码芯片(56)，解码芯片(56)输出明文序列(29、30)。

4.一种光保密通信的保密方法，采用根据权利要求1所述的光保密通信系统进行保密通信，其特征在于采用4种偏振移位键控调制方式；在物理层选取固定的6个光偏振态的前提下，是基于上述6偏振态的2-PolSK，2-DPolSK，四电平DD-PolSK，6-PolSK或4-DPolSK等方式。

5.根据权利要求4所述的光保密通信系统的保密方法，其特征在于所述的解码芯片(56)基于如下工作方式：片内含有与编码芯片(31)同步的2路伪随机控制序列发生器，相同的2-4译码器及对应的4种不同的PolSK解码方式。解码芯片根据实时产生的同步控制序列经译码器选择一种PolSK解码方式，将输入的Stokes参数(S₁、S₂、S₃)解码，并输出明文(29、30)。

6.根据权利要求4或5所述的光保密通信系统的保密方法，其特征在于将4种PolSK与2种数字混沌系统组合作为密钥，将明文加密并调制到偏振态码流上。

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