CN108494544A - 一种高效可靠的物理层加密高速光通信系统 - Google Patents

一种高效可靠的物理层加密高速光通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高效可靠的物理层加密高速光通信系统，包括光OFDM加密系统和高频谱效率传输系统；所述光OFDM加密系统通过初始条件将符号设置在高维度OFDM加密信号系统内部，然后接收数据采集通过输入密钥依次进行映射加密序列和形成加密矩阵对采集数据进行加密；采集数据进行串并转换、符号映射和插入导频。本发明基于物理层加密的CO‑OFDM与Nyquist‑WDM传输系统，该系统从物理层加密算法的研究、OFDM与Nyquist信号的同步、大数据的光信号安全传输进行系统研究，融合光纤接入，具有安全性高、频谱利用率高，接入容量大等特点。

Description

一种高效可靠的物理层加密高速光通信系统
技术领域
本发明涉及一种高效可靠的物理层加密高速光通信系统。
背景技术
随着通信业务的不断发展，对通信接入带宽与容量需求不断提高，光通信网络已经成为新一代可信网络结构中的重要组成部分。近二十年来，全球互联网的数据流量每年增长达，预计在2020 年前后主干网单根光纤容量的使用将超过100 Tbit/s。在现有技术和器件的基础上采取“超级信道”技术并结合相干检测与偏正复用方案，同时通过提高频谱效率及接收机的灵敏度，从而增大光纤传输的容量已经成为了业界关注的热点。“超级信道”减少了WDM（Wavelength Division Multiplexing，波分复用是利用多个激光器在单条光纤上同时发送多束不同波长激光的技术）的波长间隔，打破了WDM信道的固定栅格，可大大提高单根光纤传输的波长范围，从而提高传输容量。近年来，人们在相干光正交频分复用(Coherent Optical-Orthogonal Frequency Division Multiplexing, CO-OFDM)和奈奎斯特WDM (Nyquist-WDM)这两个方面进行了大量的研究，这两种方式在提高频谱利用率的同时不会大幅牺牲传输距离，能够满足未来高速超大容量长距离光通信的要求。然而，在探索提高光纤传输系统中的传输速率、频谱效率以及容量等手段的同时，高速光通信系统中的安全性问题也戛然而生，逐渐成为了通信领域中备受关注的热点问题。以前人们普遍认为光信号在光纤中传输，很难泄露电磁波；光信号采用良好的数字编码方式传输(如LDPC编码，Turbo 编码)使得传输信号被解码的可能性降低；传统调制器等器件级联加密方式，很好的完成了上一代光传输系统的异或加密职责；应对非法用户在每一层的网络协议栈实现加密及网络层加密。但随着大容量光纤通信技术的不断发展，廉价的功能部件将不断出现，配合公共的编译码方式使得破获光传输系统中的信号成为可能；另一方面，由于通信网络的广播特性使信号非法获取的途径和可能性变大，同时考虑到大量用户灵活性，传输具有安全性的数据显得尤为重要。目前对光纤通信物理层加密的研究仅仅局限于基于直接检测的光纤传输系统。对基于相干检测的CO-OFDM 和Nyquist-WDM 高速长距离光通信系统的安全性研究文献目前未见报道。
在传统通信领域中加密方法的研究主要集中于实现数据网络层加密，即在每一层网络协议栈实现加密来应对非法侵入用户；利用调制器的级联方式来实现对原始信号流的异或加密。然而新一代宽带通信对系统的传输速率、计算速度、实时性等要求更高，若仅通过提高密钥长度以增加算法复杂度的方法来提高系统安全性显然无法适应发展的需要。传统通信系统安全机制在面临宽带化这一新局面时，其加密效果和安全性能就表现出一定的局限性。
将物理层加密机制融合至CO-OFDM 和Nyquist-WDM 高速长距离光通信系统的研究工作尚未见报道，对高维信号加密调制与雪崩效应导致误码扩散以及分组物理层加密方式的研究还远远不够。另一方面，物理层安全理论表明信道编码可以提高系统的安全性，但在传统分层设计的系统中，接收端信道编码前置于解密算法，误码分析无法进入密码算法模块而不能实现系统安全性的进一步提高。在现有的高速数字光纤通信系统中，大都采用先进的DSP 技术来提高光纤传输容量及传输性能，如何在现有DSP 算法基础上既提高频谱利用率又提高系统安全性，进而研究与现有DSP 技术相融合的物理层加密理论与技术是高速光通信系统中一个值得大力开拓的研究领域。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种高效可靠的物理层加密高速光通信系统。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种高效可靠的物理层加密高速光通信系统，操作具体如下：包括光OFDM 加密系统和高频谱效率传输系统；
所述光OFDM 加密系统包括高维度OFDM加密信号系统、数据采集、加密、输入密钥、映射加密序列、形成加密矩阵、旋转因子产生、IFFT以及选择最优信号；初始条件将符号设置在高维度OFDM加密信号系统内部，然后接收数据采集通过输入密钥依次进行映射加密序列和形成加密矩阵对采集数据进行加密；采集数据进行串并转换、符号映射和插入导频；经过高维度OFDM加密信号系统符号同步和载波同步方法；基于最大似然估计(MLE)的载波估计算法，通过计算FFT 变换符号相位差而估算载波频率的偏移；利用混沌序列的自相关函数联合同步频偏和定时偏差，对比变步长和定步长进行频偏估计的计算量。并利用两个相互正交的相空间生成的训练序列完成符号和频率的联合同步，实现信道估计；
所述高频谱效率传输系统包括高维加密Nyquist信号编码；所述高维加密Nyquist信号编码的方法由比特数据流首先映射成复数的m-QAM符号（m是QAM 符号的阶数）；然后通过RSA公钥加密和联合加密函数处理，实现对Nyquist信号的组合加密；在对QAM 符号的实部和虚部分别进行脉冲调制，可以采用乘积或者卷积的方法；脉冲调制后的QAM 信号分别与数字载波和相乘；上变频后的实部和虚部信号相减后送入DAC进行数模转换。在接收端首先，经过ADC采样得到的数字信号分别与数字载波和相乘，使实部和虚部分别下变频到基带；
所述光OFDM 加密系统和高维加密Nyquist信号编码的结合原理如下：
由采用信道编码对采集的光电信息通过公钥经前置加密函数进行加密；通过信道传输至第二个信道编码通过私钥经解密函数进行解密；将解密后的光电信息然后通过BER进行分析。
进一步地，所述光OFDM加密通信系统的发送端采用一台外部腔式激光器，通过一个IQ调制器将电信号调制到光载波上；任意波形发生器对电信号进行分组密码和信道编码处理；然后将电信号通过两路输出经耦合器进入偏振复用模拟单元，IQ两路信号分别通过延时线和光衰减器经偏振耦合器进入光纤放大器进行放大；放大后IQ两路信号通过光纤传输至偏振分束器；偏振分束通过x方向和y方向将偏振信号光分开，分开后的x方向和y方向的偏振信号传至混频器；由混频器将两束信号合并；最后通过平衡检测器将合并的两束信号进行相减经低通滤波器和模数转化器之后合并两束信号进行传输。
进一步地，所述高频谱效率传输系统的发射端，从任意波形发生器（ArbitraryWaveform Generator,AWG）输出的电信号直接通过调制激光器 调制到其发出的光载波上；调制激光器 的波长1549.98 nm，输出的光功率是-0.7dBm；64/128 QAM 的半周期副载波调制信号由离线编程产生，并加载到AWG 中；AWG 的采样率设置为6GSa/s，其DAC的分辨率是10比特；AWG 输出的电信号由电放大器放大到2V峰峰值，并直接输入至调制激光器。
本发明基于物理层加密的CO-OFDM与Nyquist-WDM传输系统，该系统从物理层加密算法的研究、OFDM与Nyquist信号的同步、大数据的光信号安全传输进行系统研究，融合光纤接入，具有安全性高、频谱利用率高，接入容量大特点。
本发明的有益效果如下：
1）提出并研究一种适用于CO-OFDM 信号的分组加密方式理论，分析误码扩散因素对系统吞吐率的影响，并给出系统参数的设计方法；
2）从窃听者角度提出针对信道解码和高维混沌加密的联合线性密码分析方法，开展基于物理层加密的稳定、可靠的高速光通信系统研究，研发基于物理层加密多媒体大数据的高阶Nyquist-WDM 保密通信系统，在接收端利用载波的相干性来进行波长选择，改变传统的光纤滤波方式，使通道的间隔更加密集，系统更加安全；
3）在OFDM发射机与接收机的DSP处理过程中，实现LDPC编码与混沌序列联合加密方案，分析非规则LDPC编码步长等参数与加密算法参数的最优配置，最大程度降低加密算法复杂度。
本发明在高速率光通信系统中建立了最优化误码性能加密系统理论模型，提出物理层加密算法并与现有的DSP 技术相融合，以先进的DSP 技术克服光信道损伤，在提升光纤传输容量与最优化误码性能的同时实现对CO-OFDM和Nyquist-WDM 高速光通信系统的物理层加密；分析误码扩散因素对系统吞吐率的影响，并给出系统参数的设计方法。从窃听者角度提出针对信道解码和高维混沌加密的联合线性密码分析方法，开展基于物理层加密的稳定、可靠的高速光通信系统研究与开发，将为发展中的长距离相干光通信与Nyquist波分复用系统的物理层安全传输提供理论和实验依据，具有重要的科学意义和实用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
图1为本发明的光OFDM 加密系统框图；
图2为本发明的高频谱效率传输系统框图；
图3为本发明的信道编码与物理安全加密算法原理图；
图4为本发明的光OFDM 加密通信系统的实验原理图；
图5为本发明的高频谱效率传输系统的实验原理图；
图6为本发明的调制激光器 调制前后的光谱图；
图7为本发明的电背靠背（eBTB）与光背靠背（oBTB）信道的传输函数示意图；
图8为本发明的预均衡之后电信号的频谱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1-8所示，本发明一种高效可靠的物理层加密高速光通信系统包括光OFDM加密系统和高频谱效率传输系统；
所述光OFDM加密系统包括高维度OFDM加密信号系统、数据采集、加密、输入密钥、映射加密序列、形成加密矩阵、旋转因子产生、IFFT以及选择最优信号；初始条件将符号设置在高维度OFDM加密信号系统内部，然后接收数据采集通过输入密钥依次进行映射加密序列和形成加密矩阵对采集数据进行加密；采集数据进行串并转换、符号映射和插入导频；经过高维度OFDM加密信号系统符号同步和载波同步方法；基于最大似然估计(MLE)的载波估计算法，通过计算FFT 变换符号相位差而估算载波频率的偏移；利用混沌序列的自相关函数联合同步频偏和定时偏差，对比变步长和定步长进行频偏估计的计算量。并利用两个相互正交的相空间生成的训练序列完成符号和频率的联合同步，实现信道估计；
所述高频谱效率传输系统包括高维加密Nyquist信号编码；所述高维加密Nyquist信号编码的方法由比特数据流首先映射成复数的m-QAM符号（m是QAM符号的阶数）；然后通过RSA公钥加密和联合加密函数处理，实现对Nyquist信号的组合加密；在对QAM 符号的实部和虚部分别进行脉冲调制，可以采用乘积或者卷积的方法；脉冲调制后的QAM 信号分别与数字载波和相乘；上变频后的实部和虚部信号相减后送入DAC进行数模转换。在接收端首先，经过ADC采样得到的数字信号分别与数字载波和相乘，使实部和虚部分别下变频到基带；
所述光OFDM 加密系统和高维加密Nyquist信号编码的结合原理如下：
由采用信道编码对采集的光电信息通过公钥经前置加密函数进行加密；通过信道传输至第二个信道编码通过私钥经解密函数进行解密；将解密后的光电信息然后通过BER进行分析。
本发明所述光OFDM加密通信系统的发送端采用一台外部腔式激光器，通过一个IQ调制器将电信号调制到光载波上；任意波形发生器对电信号进行分组密码和信道编码处理；然后将电信号通过两路输出经耦合器进入偏振复用模拟单元，IQ两路信号分别通过延时线和光衰减器经偏振耦合器进入光纤放大器进行放大；放大后IQ两路信号通过光纤传输至偏振分束器；偏振分束通过x方向和y方向将偏振信号光分开，分开后的x方向和y方向的偏振信号传至混频器；由混频器将两束信号合并；最后通过平衡检测器将合并的两束信号进行相减经低通滤波器和模数转化器之后合并两束信号进行传输。
本发明所述高频谱效率传输系统的发射端，从任意波形发生器（ArbitraryWaveform Generator,AWG）输出的电信号直接通过调制激光器调制到其发出的光载波上；调制激光器 的波长1549.98 nm，输出的光功率是-0.7dBm；64/128 QAM 的半周期副载波调制信号由离线编程产生，并加载到AWG 中；AWG 的采样率设置为6GSa/s，其DAC的分辨率是10比特；AWG 输出的电信号由电放大器放大到2V峰峰值，并直接输入至调制激光器。
本发明中OFDM 利用IFFT 来进行子载波调制；相应地，在接收端DSP 中需要用FFT进行子载波解调。加入CP （Cycle Prefix 循环前缀）的目的是避免OFDM 符号之间的干扰；同时把OFDM符号与信道的线性卷积转化为循环卷积，这样就能在信道补偿中使用频域均衡（Frequency Domain Equalization，FDE）技术。
在光OFDM系统中，同步技术对系统性能有着十分重要的影响，因此OFDM 系统的符号同步和频率同步是关键。我们将分析该非线性系统的动力学特性、加密序列初始值的敏感性，证明该分组加密系统的高维混沌性质。然后将加密序列用于构造一个优选的同步训练符号序列，基于该同步训练序列提出一种新的OFDM系统符号同步和载波同步方法。作为辅助数据同步算法，采用Moose 提出基于最大似然估计(MLE)的载波估计算法，通过计算FFT 变换符号相位差而估算载波频率的偏移。提出利用混沌序列的自相关函数联合同步频偏和定时偏差，对比变步长和定步长进行频偏估计的计算量。并利用两个相互正交的相空间生成的训练序列完成符号和频率的联合同步，实现信道估计。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种高效可靠的物理层加密高速光通信系统，其特征在于：包括光OFDM 加密系统和高频谱效率传输系统；
所述光OFDM加密系统包括高维度OFDM加密信号系统、数据采集、加密、输入密钥、映射加密序列、形成加密矩阵、旋转因子产生、IFFT以及选择最优信号；初始条件将符号设置在高维度OFDM加密信号系统内部，然后接收数据采集通过输入密钥依次进行映射加密序列和形成加密矩阵对采集数据进行加密；采集数据进行串并转换、符号映射和插入导频；经过高维度OFDM加密信号系统符号同步和载波同步方法；通过计算FFT变换符号相位差而估算载波频率的偏移；利用混沌序列的自相关函数联合同步频偏和定时偏差，对比变步长和定步长进行频偏估计的计算量；并利用两个相互正交的相空间生成的训练序列完成符号和频率的联合同步，实现信道估计；
所述高频谱效率传输系统包括高维加密Nyquist信号编码；所述高维加密Nyquist信号编码的方法由比特数据流首先映射成复数的m-QAM符号（m是QAM符号的阶数）；然后通过RSA公钥加密和联合加密函数处理，实现对Nyquist信号的组合加密；在对QAM符号的实部和虚部分别进行脉冲调制，可以采用乘积或者卷积的方法；脉冲调制后的QAM信号分别与数字载波和相乘；上变频后的实部和虚部信号相减后送入DAC 进行数模转换；在接收端，先经过ADC采样得到的数字信号分别与数字载波和 相乘，使实部和虚部分别下变频到基带；
所述光OFDM加密系统和高维加密Nyquist信号编码的结合原理如下：
由采用信道编码对采集的光电信息通过公钥经前置加密函数进行加密；通过信道传输至第二个信道编码通过私钥经解密函数进行解密；将解密后的光电信息然后通过BER进行分析。
2.如权利要求1所述的一种高效可靠的物理层加密高速光通信系统，其特征在于：所述光OFDM加密通信系统的发送端采用一台外部腔式激光器，通过一个IQ调制器将电信号调制到光载波上；任意波形发生器对电信号进行分组密码和信道编码处理；然后将电信号通过两路输出经耦合器进入偏振复用模拟单元，IQ两路信号分别通过延时线和光衰减器经偏振耦合器进入光纤放大器进行放大；放大后IQ两路信号通过光纤传输至偏振分束器；偏振分束通过x方向和y方向将偏振信号光分开，分开后的x方向和y方向的偏振信号传至混频器；由混频器将两束信号合并；最后通过平衡检测器将合并的两束信号进行相减经低通滤波器和模数转化器之后合并两束信号进行传输。
3.如权利要求1所述的一种高效可靠的物理层加密高速光通信系统，其特征在于：所述高频谱效率传输系统的发射端，从任意波形发生器（Arbitrary Waveform Generator,AWG）输出的电信号直接通过调制激光器 调制到其发出的光载波上；调制激光器 的波长1549.98 nm，输出的光功率是-0.7dBm；64/128 QAM 的半周期副载波调制信号由离线编程产生，并加载到AWG 中；AWG 的采样率设置为6GSa/s，其DAC的分辨率是10比特；AWG 输出的电信号由电放大器放大到2V峰峰值，并直接输入至调制激光器。
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