CN105490753B - 动态码重构光编解码系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种动态码重构光编解码系统，包括依次相连的窄脉冲光发射机、动态码重构光编码器、动态码重构光解码器、窄脉冲光接收机，该动态码重构光编解码系统还包括控制系统，所述控制系统分别与所述动态码重构光编码器和所述动态码重构光解码器相连。本发明的有益效果是：本发明通过基于系统安全性策略的控制系统来操控动态重构光编码器和动态重构光解码器，使其实现码字的变化和重构，以及精确的编码和匹配解码，从而解决了现有光网络系统在物理层安全方面存在的被窃听的问题，使光信号安全传输。本发明可应用于光核心网、接入网,以及企业网等各种光纤传输网络，满足光网络物理层安全的需求，具有广阔的应用前景。

Description

动态码重构光编解码系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及动态码重构光编解码系统。

背景技术

一.光网络系统的安全受到严重威胁：

现有光纤通信系统和网络系统利用光纤传输信息，而光纤的开波导固有特性决定了利用耦合的方法很容易获取在光纤上传输的通信信息，因而光纤通信系统传输的信息容易被窃听是不可避免的。现在大量广泛使用的常规光纤通信系统工作于OOK体制，窃听者可以轻易地利用能量探测器捕获到光纤上传输的光信号，而达到窃听的目的。

棱镜门事件已暴露出有200多条光缆已经被窃听，事实证明了现有光纤通信系统和网络是不安全的。

现有光网络系统在物理层安全方面基本不设防，没有任何保护措施，不具有抵御入侵攻击和防截获的能力，不能保障信息的安全传输。随着社会经济和国防事业的发展，所需的信息安全越来越要求高，特别急需解决网络物理层的安全问题，必需建立抗截获能力强、安全性好的光网络，在光层建立具有安全机制的新型光系统和光网络体系结构。

二.利用光码分多址技术解决光网络物理层安全问题：

目前解决物理层安全问题的主要技术方案有：光量子通信、光混沌通信、光码分多址(Optical Code Division Multiple Access，OCDMA)通信等。量子光通信、混沌光通信，以及OCDMA通信均得到快速发展，在美国、欧洲、日本，以及我国都在进行研究和推广。一些小规模的量子通信试验网已建成，但由于受物理机制的限制，目前的量子密钥分配仅适合于低速率、短距离的信号传输，无法实现高速、长距离的一次一密密码本的密钥分配。关于光混沌保密通信的诸多研究已经取得了部分的研究成果，但是这些研究成果大多是在理论层面或者环境较为理想的实验条件下得到的。在现实环境下，双方混沌系统的参数差异，尚需要解决参数失配、噪声干扰，混沌系统信息泄露安全性等问题。OCDMA通信已实现了多个场地实验，数据速率可达10Gbit/s-40Gbit/s，传输距离可达150km，技术较成熟，实用化程度较高，是现时解决光纤通信系统物理层传输安全问题的有效的优化方案。

光码分多址(Optical Code Division Multiple Access，OCDMA)技术具有系统容量大、保密性好、抗干扰能力强等突出优点，在OCDMA系统中，所有用户共同占用同一信道的相同频段和时间段，不同用户传递信息所用的信号是靠不同的编码序列来区分，即每个用户都分配一个不同的伪随机序列(用户地址码)。在发送端，根据对应的地址码，用户的每个信息比特编码成一串信号。在接收端，根据码字的相关运算进行解码。只有当发送端与接收端地址码相互匹配时，接受端才能正确解码，从而正确恢复该用户的输入比特信息。反之，当发送端与接收端地址码不匹配时，接受端的解码器输出是一个随机高斯噪声，因而不能恢复该用户的输入比特信息。因而光CDMA系统在光域上进行编码和解码，可以提高其安全性，起到光层物理层的防护作用。

利用光码分多址技术解决网络安全问题，有三种不同的深度：

1.对常规截获手段的窃者

窃取者不具有匹配解码器，不能在光信息传输过程中截取用户信息，采用固定光编解码器技术即可对光层进行有效防护，系统的安全性和码字的安全性有关。码字的码型、长度、码重、码字容量都对OCDMA安全性有影响。对于相干OCDMA系统采用的双极性码，除提高码长外，需要重点研究码型和码字容量，进一步提高安全性。从码型的角度，应使每个用户的地址码尽量相似，而且在时域和频域都是伪随机的光脉冲信号。从码字容量的角度，在相同码长的条件下，在系统要求的自相关和互相关限制条件下，进一步增加码字容量。对于非相干OCDMA系统采用的单极性码，码型、长度、码重、码字容量都对系统的安全性有影响。一般说来，所选择的码字，其性能好、码长度长、码字容量大，增加了分析难度，被认为安全性好。

但这种方法有局限性，随着计算技术的进步，分析的速度加快，特别对现存的直接检测的通断键控(OOK，On-Off Keying)的光纤通信系统，仅靠增加码长、码容量，并不能解决光CDMA系统的安全性问题。因为在OOK体制下，无论何种码，只要用能量探测器即可获取用户信息。

2.对具有特殊探测手段的窃听者

当窃听者拥有能量探测器或频谱检测仪时，可以实现对OOK体制的固定光编解码系统的窃听。在对这种情况下，为确保系统的安全性，采用码变换的安全性策略，如“十一五”期间所研究的静态可调可控码变换方法，利用控制系统控制光开关对一定数量的具有不同码字的光编解码器进行切换，实现码字变换，起到防截获的目的。尽管我们从安全性加固策略，对码字变换顺序、变换时间间隔分别设置了4个级别，最高级别是码字变换顺序设置为“随机”变换，且时间间隔变换设置为“随机”变换，使窃听者永远不能捕捉到用户信息，可以保护光层安全。

但这种方法在“特殊情况”下也存在局限，这“特殊情况”指的是如果匹配解码器“被盗”或“丢失”的极端情况，此时也不能确保系统的安全。

3.对匹配解码器“被盗”或“丢失”的极端情况

针对这种极端情况，必需使用不怕“丢失”的光编解码器，即使窃听者窃取到光编解码器，也不能截获信息。

发明内容

本发明提供了一种动态码重构光编解码系统，包括依次相连的窄脉冲光发射机、动态码重构光编码器、动态码重构光解码器、窄脉冲光接收机，该动态码重构光编解码系统还包括控制系统，所述控制系统分别与所述动态码重构光编码器和所述动态码重构光解码器相连；

所述窄脉冲光发射机产生携带用户信息的窄脉冲光序列和产生1个比特时延N分之一脉宽的码片光脉冲，N为所选用码的码长；

所述动态码重构光编码器对携带用户信息的窄脉冲光序列进行光编码变换，在控制系统操控下，编码的码字能够变化，在控制系统的控制下动态码重构光编码器能够实现其码字的动态重构；

所述动态码重构光解码器在控制系统操控下，对光编码变换信号进行匹配解码，恢复出光编码前的携带用户信息的窄脉冲光序列；

所述窄脉冲光接收机将光解码后的携带用户信息的窄脉冲光序列进行光电转换，变为窄脉冲电信号，并将此归零信号变为非归零信号，再进行电光转换，恢复原光信号。

作为本发明的进一步改进，所述控制系统设置安全策略，给出相应变化规律的码字，并向所述动态码重构光编码器和所述动态码重构光解码器分别给出实现此码字的控制指令。

作为本发明的进一步改进，所述窄脉冲光发射机包括窄脉冲光源模块、光调制器、光信号处理模块、和放大驱动器，所述窄脉冲光源模块与所述光调制器相连，所述放大驱动器输入端与所述光信号处理模块相连，所述放大驱动器输出端与所述光调制器相连。

作为本发明的进一步改进，所述窄脉冲光源模块包括增益开关半导体激光器、超快光纤激光器、超连谱激光器。

作为本发明的进一步改进，所述动态码重构光解码器的码字的变化和动态重构与所述动态码重构光编码器是同步的，所述动态码重构光解码器与所述动态码重构光编码器的码字是相匹配的，并在同步变化和动态重构过程中始终保持是相匹配的。

作为本发明的进一步改进，所述动态码重构光编码器包括一维时域、频域的编码、以及二维时频域编码，所述动态码重构光解码器包括一维时域、频域的解码、以及二维时频域解码，。

作为本发明的进一步改进，所述动态码重构光编码器和动态码重构光解码器的码字包括双极性码的m序列和Gold序列、单极性码的光正交码、素数码、代数同余码。

作为本发明的进一步改进，所述动态码重构光解码器包括依次相连的光电探测器、窄脉冲时钟数据恢复模块、和电信号处理模块。

作为本发明的进一步改进，所述动态码重构光编码器和所述动态码重构光解码器动态的结构包括超结构光纤光栅、光纤光栅阵列、光延时线、可调光延时线、波导光栅阵列、波长选择开关。

作为本发明的进一步改进，所述控制系统设置系统安全性级别，配置码字及其动态变化程序，并给出码字与动态重构光编码/解码器的物理参数之间的关系的计算机程序，作为控制指令，控制动态重构光编码/解码器的物理参数，使其呈现出按需要求实现的码字，并实时的在计算机可视化界面上显示和操控。

本发明的有益效果是：本发明通过基于系统安全性策略的控制系统来操控动态重构光编码器和动态重构光解码器，使其实现码字的变化和重构，以及精确的编码和匹配解码，从而解决了现有光网络系统在物理层安全方面存在的被窃听的问题，使光信号安全传输。本发明可应用于光核心网和接入网，以及企业网等各种光纤传输网络，满足光网络物理层安全的需求，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明动态码重构光编解码系统的组成示意图。

图2是本发明的窄脉冲光发射机组成示意图。

图3是本发明的窄脉冲光接收机示意图。

图4是本发明的控制系统登陆页面图。

具体实施方式

如图1所示，本发明公开了一种动态码重构光编解码系统，包括依次相连的窄脉冲光发射机、动态码重构光编码器、动态码重构光解码器、窄脉冲光接收机，该动态码重构光编解码系统还包括控制系统，所述控制系统分别与所述动态码重构光编码器和所述动态码重构光解码器相连。

如图2所示，所述窄脉冲光发射机包括窄脉冲光源模块、光调制器、光信号处理模块、和放大驱动器，所述窄脉冲光源模块与所述光调制器相连，所述放大驱动器输入端与所述光信号处理模块相连，所述放大驱动器输出端与所述光调制器相连。

光信号处理模块将光网络上传输的光信号转变为电信号，经放大驱动器，进入光调制器，调制由窄脉冲光源模块输入光调制器的超短光脉冲，获得携带用户信息的超短光脉冲序列。

窄脉冲光源模块产生1个比特时延N分之一脉宽的码片光脉冲，N为所选用码的码长，可达PS量级。窄脉冲光源模块有多种类型，包括增益开关半导体激光器、超快光纤激光器、超连谱激光器等。

所述动态码重构光编码器对携带用户信息的窄脉冲光序列进行光编码变换，在控制系统操控下，编码的码字能够变化，在控制系统的控制下动态码重构光编码器能够实现其码字的动态重构；

所述动态码重构光解码器在控制系统操控下，对光编码变换信号进行匹配解码，恢复出光编码前的携带用户信息的窄脉冲光序列；

所述窄脉冲光接收机将光解码后的携带用户信息的窄脉冲光序列进行光电转换，变为窄脉冲电信号，并将此归零信号变为非归零信号，再进行电光转换，恢复原光信号。

所述控制系统设置安全策略，给出相应变化规律的码字，并向所述动态码重构光编码器和所述动态码重构光解码器分别给出实现此码字的控制指令。

所述动态码重构光解码器的码字的变化和动态重构与所述动态码重构光编码器是同步的，所述动态码重构光解码器与所述动态码重构光编码器的码字是相匹配的，并在同步变化和动态重构过程中始终保持是相匹配的。

所述动态码重构光解码器包括依次相连的光电探测器、窄脉冲时钟数据恢复模块、和电信号处理模块。

所述控制系统设置系统安全性级别，配置码字及其动态变化程序，并给出码字与动态重构光编码/解码器的物理参数之间的关系的计算机程序，作为控制指令，控制动态重构光编码/解码器的物理参数，使其呈现出按需要求实现的码字，并实时的在计算机可视化界面上显示和操控。

动态码重构光编码器和动态码重构光解码器的码字是可以变化的，在控制系统的控制下光编/解码器可以实现其码字的动态重构。光编码和光解码是对光信号进行全光信息处理，实现光编码变换和光解码反变换，仅当光解码与光编码的码字相匹配时，在接收端才能恢复出原光信号，非授权用户是不可能获取到光信号，使光信号得以安全传输。为保障在最坏情况下，甚至窃听者获得了解码器的情况下仍能安全传输，采用码字可以重构的动态编码和解码，使窃听者不能探测到光信号，从而使系统具有防窃听的防护功能，保障信息的安全传输、极大的提高了光网络系统的安全性。

根据实际需求不同，有多种类型可变化重构的编码和解码技术；采用的编解码技术包括一维时域、频域的编码和解码，包括二维时频域的编码和解码。码字有多种类型包括双极性码的m序列和Gold序列，单极性码的光正交码、素数码、代数同余码等。动态重构光编码器和动态重构光解码器的结构有多种类型，包括超结构光纤光栅(SSFBG)、光纤光栅阵列(FBG)、光延时线(ODL)、可调光延时线(TODL)、波导光栅阵列(AWG)、波长选择开关(WSS)等。

在接收端接，光纤信道上传输来的光编码变换信号，被动态重构光解码器进行光解码变换，进入窄脉冲光接收机。

如图3所示，窄脉冲光接收机由光电探测器、窄脉冲时钟数据恢复模块、电信号处理模块组成，窄脉冲光接收机不同于常规的光接收机，它接收和处理的是归零的、码片级脉宽的窄光脉冲。由动态重构光解码器匹配解码后输出的光解码信号，进入窄脉冲光接收机，由光电探测器将光解码信号转换为窄脉冲电信号，进行时钟数据恢复后，电信号处理模块将归零电信号转换为非归零的原光信号输出。

如果光解码变换器与光编码变换器不匹配，则不能获得光信号，呈现的是噪声，从而，防止被窃听，保护了光信号的安全传输。

控制系统根据系统安全性级别需要，配置码字及其动态变化程序，并给出码字与动态重构光编码/解码器的物理参数之间的关系的计算机程序，作为控制指令，控制动态重构光编码/解码器的物理参数，使其呈现出按需要求实现的码字，并实时的在计算机可视化界面上表达出来。系统的登陆页面如图4所示。

动态码重构光编解码是利用控制系统，驱动编码软件，生成所需的码字，转换得出与码字相对应的光编解码器硬件的物理参数信息，由控制系统进行控制，使光编解码器所承载的码字产生改变，从而实现码字的重构。可以根据安全性策略，控制光编码/光解码的变化，不断改变码字及光编解码器工作状态，即形成码的动态重构光编解码。可靠的硬软件设施，使传输系统具备防窃听的能力，即使光编解码器被窃取，也不可能窃取到传输的光信息。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种动态码重构光编解码系统，其特征在于，包括依次相连的窄脉冲光发射机、动态码重构光编码器、动态码重构光解码器、窄脉冲光接收机，该动态码重构光编解码系统还包括控制系统，所述控制系统分别与所述动态码重构光编码器和所述动态码重构光解码器相连；

所述窄脉冲光发射机产生携带用户信息的窄脉冲光序列和产生1个比特时延N分之一脉宽的码片光脉冲，N为所选用码的码长；

所述动态码重构光编码器对携带用户信息的窄脉冲光序列进行光编码变换，在控制系统操控下，编码的码字能够变化，在控制系统的控制下动态码重构光编码器能够实现其码字的动态重构；

所述动态码重构光解码器在控制系统操控下，对光编码变换信号进行匹配解码，恢复出光编码前的携带用户信息的窄脉冲光序列；

所述窄脉冲光接收机将光解码后的携带用户信息的窄脉冲光序列进行光电转换，变为窄脉冲电信号，并将此归零信号变为非归零信号，再进行电光转换，恢复原光信号；

所述窄脉冲光发射机包括窄脉冲光源模块、光调制器、光信号处理模块和放大驱动器，所述窄脉冲光源模块与所述光调制器相连，所述放大驱动器输入端与所述光信号处理模块相连，所述放大驱动器输出端与所述光调制器相连；

所述光信号处理模块，用于将光网络上传输的光信号转变为电信号，经放大驱动器，进入光调制器，调制由窄脉冲光源模块输入光调制器的超短光脉冲，获得携带用户信息的窄脉冲光序列；

所述控制系统，用于根据系统安全性级别需要，配置码字及其动态变化程序，并给出码字与动态码重构光编码器、动态码重构光解码器的物理参数之间的关系的计算机程序，作为控制指令，控制动态码重构光编码器、动态码重构光解码器的物理参数，使其呈现出按需要求实现的码字，并实时的在计算机可视化界面上表达出来。

2.根据权利要求1所述的动态码重构光编解码系统，其特征在于，所述控制系统设置安全策略，给出相应变化规律的码字，并向所述动态码重构光编码器和所述动态码重构光解码器分别给出实现此码字的控制指令。

3.根据权利要求2所述的动态码重构光编解码系统，其特征在于，所述窄脉冲光源模块采用的是增益开关半导体激光器或超快光纤激光器或超连谱激光器。

4.根据权利要求3所述的动态码重构光编解码系统，其特征在于，所述动态码重构光解码器的码字的变化和动态重构与所述动态码重构光编码器是同步的，所述动态码重构光解码器与所述动态码重构光编码器的码字是相匹配的，并在同步变化和动态重构过程中始终保持是相匹配的。

5.根据权利要求4所述的动态码重构光编解码系统，其特征在于，所述动态码重构光编码器包括一维时域、频域的编码、以及二维时频域编码，所述动态码重构光解码器包括一维时域、频域的解码。

6.根据权利要求5所述的动态码重构光编解码系统，其特征在于，所述动态码重构光编码器和动态码重构光解码器的码字包括双极性码的m序列和Gold序列、单极性码的光正交码、素数码、代数同余码。

7.根据权利要求6所述的动态码重构光编解码系统，其特征在于，所述动态码重构光解码器包括依次相连的光电探测器、窄脉冲时钟数据恢复模块和电信号处理模块。

8.根据权利要求7所述的动态码重构光编解码系统，其特征在于，所述动态码重构光编码器和所述动态码重构光解码器动态的结构包括超结构光纤光栅、光纤光栅阵列、光延时线、可调光延时线、波导光栅阵列、波长选择开关。