CN103260095A

CN103260095A - 一种基于混沌同步的保密无源光网络

Info

Publication number: CN103260095A
Application number: CN2013102100156A
Authority: CN
Inventors: 江宁; 邱昆
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2033-05-31
Also published as: CN103260095B

Abstract

本发明公开了一种基于混沌同步的保密无源光网络，属于保密光通信技术领域。光链路终端(OLT)和光网络单元(ONU)两端采用n对具有相同工作波长的半导体激光器作为混沌载波产生器，通过光调制器将上、下行信息分别加载到所述n个不同波长的混沌载波中实现信息混沌加密，并采用波分复用技术合并之后通过光纤进行上、下行传输，最后利用相同波长混沌载波的同步实现信息解密。本发明采用全光混沌信号作为载波并结合波分复用技术对上、下行信息进行保密传输，从物理层增强了无源光网络的信息保密性，适用于对信息保密性具有较高要求的通信业务，同时对提高无源光网络的安全性具有参考意义。

Description

一种基于混沌同步的保密无源光网络

技术领域

本发明涉及光通信、混沌和半导体激光器领域，尤其是一种基于混沌同步的保密无源光网络，适用于宽带保密光接入网领域。

技术背景

混沌信号具有独特保密特性，可以将信息很好地隐藏其中，因此在保密通信领域倍受青睐。半导体激光器在外部反馈、注入等条件下，能够产生数十GHz的宽带混沌光信号，因此基于半导体激光器的混沌同步通信已经成为保密光通信领域的一大亮点。无源光网络作为宽带光接入的优选技术，具有广阔的实际应用前景。目前，相关研究已经提出了波分复用无源光网络、正交频分复用无源光网络、时分复用无源光网络、以及各种复合式无源光网络方案。

随着网络用户和网络容量的急剧增加，人们对保护隐私和信息安全的要求越来越强烈，因此光接入网的保密性问题越来越重要。在目前的应用和研究中，人们主要通过增强介质访问控制层的安全性来提高光网络的安全性，而对最容易受到攻击的物理层的安全性研究很少。相关研究曾提出利用离散混沌信号对正交频分复用的子载波进行扰码，从而提高正交频分复用无源光网络的保密性，但要求复杂的加扰和解扰计算。本发明直接用混沌光信号代替传统稳态光信号作为通信载波对信息进行物理层加密，通过实现混沌载波同步进行信息的解密，利用激光器产生的混沌光信号独特的保密性和同步特性，从物理层增强无源光网络的安全性；同时，利用光波分复用技术大大提高了系统的通信容量；适用于宽带保密光通信领域。

发明内容

鉴于以上陈述的已有技术的不足和拟采用技术的固有优点，本发明的目的是提供一种原理简单，容易实现的保密无源光网络方案。

所述之一种基于混沌同步的保密无源光网络的组成，包括以下三部分：

1)光链路终端OLT：包含n个发送/接收模块，每个发送/接收模块由一个工作在混沌态的外腔半导体激光器、光调制器、光耦合器、光环行器、波分复用器、光探测器、反相光探测器、低通滤波器等组成；

2)波分复用器和光纤链路；

3)n个光网络单元ONU：每个ONU包括发送模块和接收模块两部分，由一个半导体激光器、光调制器、光隔离器、光耦合器、光探测器、反相光探测器、低通滤波器等组成；n个ONU半导体激光器的工作波长各不相同，但与OLT端n个激光器工作波长一一对应。

所述之一种基于混沌同步的保密无源光网络的下行通信步骤如下：

1)在OLT端，通过光调制器将下行信息加载到各混沌载波中实现混沌加密，

并通过波分复用器合并为复合混沌载波，再通过光纤传输到ONU端；

2)在下行链路终端，利用波分复用器将携带信息的复合已调混沌光载波进

行解复用，并分别注入到各ONU激光器中，实现各ONU激光器与OLT端

对应激光器的混沌同步；

3)在各ONU中，将接收到的下行混沌光载波与本地ONU激光器输出相减(或相除)并滤波，解密出下行信息。

所述之一种基于混沌同步的保密无源光网络的上行通信步骤如下：

1)在各ONU中，将上行信息通过光调制器加载到本地激光器输出的混沌光信号中，进行上行信息加密，并通过波分复用器合并之后通过光纤链路传输至OLT端；

2)在OLT端，利用波分复用器将上行混沌载波分开，由于OLT端和ONU端相同工作波长的激光器输出的混沌信号同步，因此将上行混沌载波与相同波长的OLT端混沌载波相减(或相除)并滤波，即可解密出上行信息。

经过如上的设计后，OLT端和ONU端相同波长的激光器输出的混沌载波能实现稳定的注入-锁定同步，基于此，结合混沌载波对信息与生俱来的隐藏性，可以在OLT和各ONU之间同时进行上行和下行的保密通信；另一方面，由于混沌系统对系统参数和初始条件极度敏感，窃密者用属性和工作波长不匹配的激光器非法接入本系统，很难实现与混沌载波的同步，因此截获正确信息的可能性也大大降低；故而所述之一种基于混沌同步的保密无源光网络可增强无源光网络物理层的安全性。此外，通过采用波分复用技术，所述之一种基于混沌同步的保密无源光网络的系统容量大大提高。

在实际使用上本发明具有如下优点：(1)结构简单、实用性强，不需要对传统无源光网络的结构体系进行调整，仅用混沌光载波代替传统的稳态光载波；(2)充分利用混沌信号的保密性和同步特性，通过实现混沌同步通信，增强了无源光网络物理层的信息保密性；(3)采用了波分复用技术，大大提高了系统容量；(4)具有很强的拓展性，现有的波分复用技术、频分复用技术、时分复用技术及其混合技术等都可以应用到本发明中，这为实现保密光通信提供了一种有效可行的方案。

附图说明如下：

图1本发明的系统结构示意图。

图2本发明系统中波长为λ₁的下行链路上的信息传输过程。其中第一行表示OLT端加密到下行混沌载波中的源信息，第二行表示ONU端对应的解密信息，信息的传输速率为2Gbit/s。

图3本发明系统中波长为λ₁的上行链路上的信息传输过程。其中第一行表示ONU端加密到上行混沌载波中的源信息，第二行表示OLT端对应的解密信息，信息的传输速率为2Gbit/s。

图4本发明系统中波长为λ₂的下行链路上的信息传输过程。其中第一行表示OLT端加密到下行混沌载波中的源信息，第二行表示ONU端对应的解密信息。

图5本发明系统中波长为λ₂的上行链路上的信息传输过程。其中第一行表示ONU端加密到上行混沌载波中的源信息，第二行表示OLT端对应的解密信息。

图6本发明系统中波长为λ₁的下行链路上的合法接入与非法接入通信性能(误比特率)与信息传输速率的关系。

图7本发明系统中波长为λ₂的下行链路上的合法接入与非法接入通信性能(误比特率)与信息传输速率的关系。

图8本发明系统中波长为λ₁的上行链路上的合法接入与非法接入通信性能(误比特率)与信息传输速率的关系。

图9本发明系统中波长为λ₂的上行链路上的合法接入与非法接入通信性能(误比特率)与信息传输速率的关系。

图10在图2工作条件下，本发明系统中窃密者非法接入波长为λ₁的下行链路截获的信息。

图11在图5工作条件下，本发明系统中窃密者非法接入波长为λ₂的上行链路截获的信息。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施作进一步的描述。

如图1所示，本发明系统由n对波长相同的半导体激光器TL1-RL1、TL2-RL2、…、TLn-RLn，外部光调制器MOD，光波分复用器WDM，光纤，光电检测器PD，反相光电检测器IPD，光耦合器OC，光隔离器OI，光环形器，延时线DL，低通滤波器LPF等组成。

在图1中，适当调节OLT端各激光器的外腔长度或反馈强度，可以很方便地获得宽带混沌光载波。各OLT发送模块通过光调制器直接将下行信息加密到混沌载波中，经波分复用器合并后通过光纤链路传向ONU端。下行信号到达ONU端以后，通过波分复用器以后被分离成n路不同波长的信号，分别注入到对应波长的ONU激光器中；通过适当调节注入强度，可实现注入混沌载波(含信息)与ONU激光器产生的本地混沌载波的同步；基于此，ONU激光器可从注入混沌载波中解密出下行信息。另一方面，所有ONU激光器产生的本地混沌载波被用作上行通信载波，采用与下行传输相似的混沌加密解密方法，实现上行通信。所有信息加密均采用混沌调制方式，其数学描述为

波长为λ_i的链路上的加密过程为：

P_Di，Ui(t)＝P_TLi，RLi(t)[1+δ_Di，Uim_Di，Ui(t)]，(1)

相应的解密过程为

m′_Di，Ui(t)＝LPF[P_DiUi(t)-P_RLi，TLi(t)] (2)上述式子中，下标Di、Ui分别表示波长为λ_i的链路上的下行、上行传输；下标TLi、RLi分别表示OLT端和ONU端波长为λ_i的激光器(i＝1、2、…、n)；P(t)为激光器输出光强度；m_Di(t)、m_Ui(t)分别表示加载到TLi、RLi输出混沌载波中的下行、上行信息，m′_Di(t)、m′_Ui(t)表示信息m_Di(t)和m_Ui(t)对应的解调信息；δ为调制深度，为了保证信息能有效隐藏在混沌载波中，其取值通常小于10％；LPF表示用一截止频率等于信息比特率的低通滤波器对解调以后的信号进行滤波，消除噪声和高频载波成分等因素的影响。

下面以一个OLT和两个ONU(n＝2)组成的简单无源光网络系统为实施例，对本发明予以进一步说明。具体系统参量为：激光器对TL1-RL1、TL2-RL2的工作波长分别为λ₁＝1550nm和λ₂＝1551nm，工作偏置电流为36.75mA，TL1和TL2的反馈强度和反馈延时分别为20ns^-1和3ns，光纤链路选择长度为20km的色散位移光纤，其损耗系数为0.21dB/km，非线性系数为1.5W^-1km^-1，二阶和三阶色散系数分别为2ps²/km、0.1ps³/km。为了验证本发明的信息保密性增强能力，我们对波长为λ₁的下行链路和波长为λ₂的上行链路进行模拟攻击，具体操作为：窃密者用截止频率等于信息速率的低通滤波器对从链路上截取来的混沌载波(含信息)进行滤波获得信息，这也是检验信息是否有效隐藏于混沌载波中最常用的方法。

图2和图3分别给出了本发明系统中波长为λ₁和λ₂的下行链路上的信息传输过程。可以看出，隐藏在不同波长的混沌载波中的下行信息能被相应波长的ONU有效恢复。

图4和图5分别给出了本发明系统中波长为λ₁和λ₂的上行链路上的信息传输过程。可以看出，隐藏在不同波长的混沌载波中的上行信息能被相应波长的OLT有效恢复。

图6和图7分别给出了本发明系统中波长为λ₁和λ₂的下行链路上的合法接入与非法接入通信性能(误比特率)随信息速率的变化；图8和图9分别给出了本发明系统中波长为λ₁和λ₂的上行链路上的合法接入与非法接入通信性能(误比特率)随信息速率的变化。可以看出，非法接入通信的信息误比特率明显高于合法接入通信；当信息速率在区间[2Gbit/s，3.5Gbit/s]上时，非法接入将很难正确截获信息，这说明合法接入通信的信息安全性得到增强。

图10和图11分别给出了在图2和图5工作条件下本发明系统中窃密者攻击波长为λ₁的下行链路和波长为λ₂的上行链路所截获的信息。将图10、图11分别与图2、图5进行比较可以看出，窃密者获得的信息的失真严重，误比特率远高于合法接入通信，这也说明本发明系统的信息保密性获得了增强。

综合以上陈述，本发明具有如下特征：1)充分利用混沌信号的保密性，将信息有效地隐藏于混沌载波中进行传输，增强了信息的保密性；2)采用相同属性的激光器产生相同波长的混沌载波，通过实现OLT端和ONU端相同波长的混沌载波同步进行通信，进一步增强了信息的保密性；3)采用波分复用技术，大大提高了系统容量；4)本发明具有较强的拓展性，频分复用技术、时分复用技术及其混合技术等同样适用于本系统。

以上所陈述的仅仅是本发明方法的简单实施案，应当指出，在不脱离本发明方法和物理原理的前提下，在实际实施中可以做出若干更改和润色(比如采用其它混沌加密/解密方法、用频分复用、时分复用及其混合复用技术等代替波分复用技术、以及用其它形式的混沌信号产生系统代替混沌半导体激光器等)也应包含在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种基于混沌同步的保密无源光网络，其特征在于采用全光混沌信号作为载波，数据被加密在混沌载波中，通过光纤链路进行传输，利用混沌载波同步进行信息解密，能够在无源光网络物理层增强信息安全性。

2.根据权利要求1所述之一种基于混沌同步的保密无源光网络，其特征在于，所述基于混沌同步的保密无源光网络的组成，包括以下三部分：

2)波分复用器和光纤链路；

3)n个光网络单元ONU：每个ONU包括发送模块和接收模块两部分，由一个半导体激光器、光调制器、光隔离器、光耦合器、光探测器、反相光探测器、低通滤波器等组成；n个ONU半导体激光器的工作波长各不相同，但与OLT端n个激光器的工作波长和属性(内部参数)一一对应。

3.根据权利要求1所述之一种基于混沌同步的保密无源光网络，其特征在于，所述基于混沌同步的保密无源光网络的下行通信步骤如下：

1)在OLT端，通过光调制器将下行信息加载到各混沌载波中实现混沌加密，并通过波分复用器合并为复合混沌载波，再通过光纤传输到ONU端；

2)在下行链路终端，利用波分复用器将携带信息的复合已调混沌光载波进行解复用，并分别注入到各ONU激光器中，实现各ONU激光器与OLT端对应激光器的混沌同步；

4.根据权利要求1所述之一种基于混沌同步的保密无源光网络，其特征在于，所述基于混沌同步的保密无源光网络的上行通信步骤如下：

5.根据权利要求1-4所述之一种基于混沌同步的保密无源光网络，其特征在于，利用混沌光信号与生俱来的保密性从物理层增强无源光网络的信息保密性。

6.根据权利要求1-4所述之一种基于混沌同步的保密无源光网络，其特征在于，通过将下行已调混沌载波注入到ONU激光器中实现注入-锁定混沌同步，从而解密出下行传输信息。

7.根据权利要求1-4所述之一种基于混沌同步的保密无源光网络，其特征在于，窃密者用工作波长和属性不匹配的激光器很难实现与各混沌载波的同步，因此很难获得正确的解密信息，进一步增强了无源光网络的信息保密性。

8.根据权利要求1-4所述之一种基于混沌同步的保密无源光网络，其特征在于，采用波分复用技术，可大大提高系统的通信容量。

9.根据权利要求1-7所述之一种基于混沌同步的保密无源光网络，其保护范围在于，所有使用激光器产生混沌光信号作为无源光网络上、下行通信载波，并通过实现OLT和ONU混沌载波的混沌同步进行保密通信的方法方案都应包含在本发明的保护范围。