CN111313978B - 一种基于混沌谱相位加密的物理层保密光纤通信系统 - Google Patents

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    • H04L9/001—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols using chaotic signals

Abstract

本发明公开了一种基于混沌谱相位加密的物理层保密光纤通信系统，通过将主激光器产生的宽带随机光源，分成相同的两路光信号，分别注入通信双方的从激光器，从而产生同步的混沌信号。然后将产生的同步混沌信号作为驱动信号，对由波分复用WDM光源产生的光信号进行相位调制，从而实现混沌谱相位加密与解密。

Description

一种基于混沌谱相位加密的物理层保密光纤通信系统
技术领域
本发明属于光通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于混沌谱相位加密的物理层保密光纤通信系统。
背景技术
近年来，人们对信息的需求和信息量的急剧增长，极大地促进了通信技术的发展和变革。信息的高速、高效和安全传输与交换，成为通信领域研究的核心问题，其中信息安全已经成为事关国家政治、经济、军事和社会安全、稳定和发展的一个不容忽视的国家安全战略。
网络传输、存储、处理过程中数据信息的丢失、泄露或被非法篡改等问题，近年来日益严重，对社会和经济造成了严重的影响。毋庸置疑，研究实现通信安全的方法和手段，对于政治、经济、军事和社会的稳定与发展，均具有重要的现实需求和长远的战略意义。光纤以超宽带宽、超大容量、超低损耗和抗电磁干扰等突出优点，成为“信息高速公路”当之无愧的基石，在有线通信领域发挥了无可替代的作用。目前通信网的骨干网、城域网、接入网和无线移动通信的承载网等，均以光纤作为传输媒质。
尽管光信号在光纤中传输时一般不向外辐射，但在光纤弯曲的曲率半径小于一定数值后，仍然可以将光信号泄露出去，当然就更难抵御人为其它手段的攻击，因此，光纤中传输的光信息仍然是可以被截获的，故光信息在通信过程中存在安全隐患。
在光纤通信系统中，在光域采用强度调制产生的光信号，不管是采用归零码还是非归零码，对于窃听方而言仅通过简单地能量检测，即可判断出发送的数据是“0”还是“1”。即使是采用相移键控或正交幅度调制等方式，通过在理论上不复杂的解调之后，再进行能量检测，即可识别信息，几乎无任何信息传输安全性可言。
然而，经过深入研究后，学者们发现外腔半导体激光器产生的混沌激光存在一些缺陷:(1)外腔半导体激光器具有明显的弛豫振荡,从功率谱上观察,混沌激光的主要能量集中于弛豫振荡频率附近,因此限制了功率谱的有效带宽和平坦度；(2)由于外腔谐振的存在，导致产生的混沌信号自相关曲线在外腔周期处出现明显的相关峰,这种特征被称为时延标签；这些缺陷的存在限制了实际的应用。
目前，光纤通信波分复用(WDM)系统单信道速率已达40Gb/s，并正向更高速率发展，因此随着通信技术的不断发展及传输速率的不断提升，高速的保密通信成为人们不断探索并寻求的目标。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于混沌谱相位加密的物理层保密光纤通信系统，实现对高速波分复用光信号的有效加密与解密，保证光信息在光纤链路中传输的安全性。
为实现上述发明目的，本发明一种基于混沌谱相位加密的物理层保密光纤通信系统，其特征在于，包括：发送端、接收端，以及连接发送端和接收端的光纤链路；
所述发送端包括：宽带随机光源、混沌激光产生模块、WDM信号源、加密模块、光纤耦合器FC1、可调光衰减器VOA1、光纤隔离器ISO1、光电探测器PD1、射频放大器RF2和主复用器MUX；
其中，所述宽带随机光源又包括主激光器DSL、任意波形发生器AWG、射频放大器RF1和相位调制器PM1；
所述混沌激光产生模块为一个外腔半导体激光器ECSL1，又包括：从激光器SL1、光纤耦合器FC2和FC3、可调光衰减器VOA2和光纤反射镜M；
所述WDM信号源又包括：多路光发射机TX和从复用器MUX；
在发送端，任意波形发生器AWG产生高斯白噪声信号，再经过射频放大器RF1放大后输入至相位调制器PM1，作为PM1的驱动信号；当主激光器DSL输出的光信号输入至相位调制器PM1时，在受到驱动信号的相位调制后输出调制光信号，再由光纤耦合器FC1分为相同的两路，其中一路光信号经过可调光衰减器VOA1调节光功率和光隔离器ISO1控制传输方向后，注入至发送端的混沌激光产生模块；另一路作为宽带随机光源输出的光信号；
从激光器SL1输出的激光信号经过光纤耦合器FC2分为相同两路，其中一路接收宽带随机源的注入光信号，另一路光信号通过光纤耦合器FC3分为相同的两路光信号，其中一路光信号依次通过可调光衰减器VOA2控制光功率和光纤反射镜M反射返回至从激光器SL1；另一路作为ECSL1输出的混沌光信号；
ECSL1输出的混沌光信号通过光电探测器PD1转换为混沌电信号，再通过射频放大器RF2进行幅度放大后，输入至加密模块，并作为加密模块中相位调制器PM2的驱动信号进行相位加密；
在WDM信号源中，从复用器将不同波长的光发射机产生的光信号复用至一根光纤中，从而输出WDM信号至相位调制器PM2，作为PM2的输入光信号；PM2在驱动信号下进行混沌相位调制，输出调制光信号；
最后，宽带随机光源输出的光信号与PM2调制光信号通过主复用器复用至光纤链路；
光纤链路包括单模光纤SMF、色散补偿光纤DCF和光纤放大器EDFA；
在光纤链路中，光信号先通过单模光纤SMF进行传输，再通过色散补偿光纤DCF补偿光纤链路引入的色散，最后通过光纤放大器EDFA补偿光纤链路引起的信号光功率衰减，输入至接收端；
所述接收端包括：主解复用器DMUX、可调光衰减器VOA3、光纤隔离器ISO2、混沌激光产生模块、可调光纤延迟线DL、光电探测器PD2、射频放大器RF3、解密模块和WDM接收模块；
其中，所述混沌激光产生模块为另一个外腔半导体激光器ECSL2，其结构与ECSL1相同，包括：从激光器SL2、光纤耦合器FC4和FC5、可调光衰减器VOA4和光纤反射镜M；
所述WDM接收模块又包括：多路光接收机RX和从解复用器DMUX；
在接收端，首先通过主解复用器分离出由发送端宽带随机源产生的光信号和PM2输出的调制光信号；然后，将宽带随机源的产生的光信号经过可调光衰减器VOA3调节光功率和光隔离器ISO2控制传输方向后注入至ECSL2的从激光器SL2中；将PM2输出的调制光信号输入至解密模块；
在ECSL2中，从激光器SL2输出的激光信号经过光纤耦合器FC5分为相同两路，其中一路接收宽带随机源的注入光信号，另一路光信号通过光纤耦合器FC4分为相同的两路光信号，其中一路光信号依次通过可调光衰减器VOA4控制光功率和光纤反射镜M反射返回至从激光器SL2；另一路作为ECSL2输出的混沌光信号；
ECSL2输出的混沌光信号先通过可调光纤延迟线DL的延迟处理，再通过光电探测器PD2转换为混沌电信号，最后通过射频放大器RF3进行幅度放大后输入至解密模块，并作为相位调制器PM3的驱动信号进行相位解密；
在解密模块中，解密模块接收PM2输出的调制光信号，并作为输入信号，然后在驱动信号作用下进行混沌相位调制，输出调制光信号至WDM接收模块；
在WDM接收模块中，解密模块输出的调制光信号通过从解复用器DMUX分离出各信道的信号光，再分别输入至各光接收机，恢复出原始信号。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明基于混沌谱相位加密的物理层保密光纤通信系统，通过将主激光器产生的宽带随机光源，分成相同的两路光信号，分别注入通信双方的从激光器，从而产生同步的混沌信号。然后将产生的同步混沌信号作为驱动信号，对由WDM光源产生的光信号进行相位调制，从而实现混沌谱相位加密与解密。
同时，本发明基于混沌谱相位加密的物理层保密光纤通信系统还具有以下有益效果：
(1)、本发明设计的物理层加密方案，能有效的实现WDM信号的加密与解密，能在光域完全隐藏各信道的信道特征，从而保证了光信息在光纤链路中传输的安全性；
(2)、参与加密与解密的驱动信号由通信双方本地产生，保证了加密与解密模块的安全性与私密性；
(3)、本发明提出的加密方案能与现有的WDM光纤通信系统很好的兼容，支持不同速率与调制格式信号的加密与解密，能实现即插即用。
附图说明
图1是本发明基于混沌谱相位加密的物理层保密光纤通信系统一种具体实施方式架构图；
图2是WDM信号加密、解密后的光谱图；
图3是通信双方ECSL产生的混沌驱动信号的同步效果图；
图4是各信道原始信号、加密信号和解密信号对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明基于混沌谱相位加密的物理层保密光纤通信系统一种具体实施方式架构图。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种基于混沌谱相位加密的物理层保密光纤通信系统，包括：发送端、接收端，以及连接发送端和接收端的光纤链路；
发送端包括：宽带随机光源、混沌激光产生模块、WDM信号源、加密模块、光纤耦合器FC1、可调光衰减器VOA1、光纤隔离器ISO1、光电探测器PD1、射频放大器RF2和主复用器MUX；
其中，宽带随机光源又包括主激光器DSL、任意波形发生器AWG、射频放大器RF1和相位调制器PM1；在本实施例中，主激光器DSL采用连续光激光器；
混沌激光产生模块为一个外腔半导体激光器ECSL1，又包括：从激光器SL1、光纤耦合器FC2和FC3、可调光衰减器VOA2和光纤反射镜M；在本实施例中，从激光器SL1选用分布反馈半导体激光器DFB；
WDM信号源又包括：多路光发射机TX和从复用器MUX；在本实施例中，选用λ1-λ4共计4路光发射机，光发射机发送的信号为任意调制格式的光信号，如开关键控(OOK)、正交相位键控(QPSK)、正交幅度调制(QAM)等。
在发送端，任意波形发生器AWG产生高斯白噪声信号，再经过射频放大器RF1放大后输入至相位调制器PM1，作为PM1的驱动信号；当主激光器DSL输出的光信号输入至相位调制器PM1时，在受到驱动信号的相位调制后输出调制光信号，再由光纤耦合器FC1分为相同的两路，其中一路光信号经过可调光衰减器VOA1调节光功率和光隔离器ISO1控制传输方向后，注入至发送端的混沌激光产生模块；另一路作为宽带随机光源输出的光信号，如图1所示，假设该光信号的波长为λ0；
从激光器SL1输出的激光信号经过光纤耦合器FC2分为相同两路，其中一路接收宽带随机源的注入光信号，另一路光信号通过光纤耦合器FC3分为相同的两路光信号，其中一路光信号依次通过可调光衰减器VOA2控制光功率和光纤反射镜M反射返回至从激光器SL1；另一路作为ECSL1输出的混沌光信号；
ECSL1输出的混沌光信号通过光电探测器PD1转换为混沌电信号，再通过射频放大器RF2进行幅度放大后，输入至加密模块，并作为加密模块中相位调制器PM2的驱动信号进行相位加密；
在WDM信号源中，从复用器将不同波长的光发射机产生的光信号复用至一根光纤中，从而输出WDM信号至相位调制器PM2，作为PM2的输入光信号；PM2在驱动信号下进行混沌相位调制，输出调制光信号；
最后，宽带随机光源输出的光信号与PM2调制光信号通过主复用器复用至光纤链路；
光纤链路包括单模光纤SMF、色散补偿光纤DCF和光纤放大器EDFA；
在光纤链路中，光信号先通过单模光纤SMF进行传输，再通过色散补偿光纤DCF补偿光纤链路引入的色散，最后通过光纤放大器EDFA补偿光纤链路引起的信号光功率衰减，输入至接收端；
接收端包括：主解复用器DMUX、可调光衰减器VOA3、光纤隔离器ISO2、混沌激光产生模块、可调光纤延迟线DL、光电探测器PD2、射频放大器RF3、解密模块和WDM接收模块；在本实施例中，PD2与PD1输出信号的幅度相同，幅值相反；
其中，混沌激光产生模块为另一个外腔半导体激光器ECSL2，其结构与ECSL1相同，包括：从激光器SL2、光纤耦合器FC4和FC5、可调光衰减器VOA4和光纤反射镜M；在本实施例中，从激光器SL2选用分布反馈半导体激光器DFB；
WDM接收模块又包括：多路光接收机RX和从解复用器DMUX；
在接收端，首先通过主解复用器分离出由发送端宽带随机源产生的光信号和PM2输出的调制光信号；然后，将宽带随机源的产生的光信号经过可调光衰减器VOA3调节光功率和光隔离器ISO2控制传输方向后注入至ECSL2的从激光器SL2中；将PM2输出的调制光信号输入至解密模块；
在ECSL2中，从激光器SL2输出的激光信号经过光纤耦合器FC5分为相同两路，其中一路接收宽带随机源的注入光信号，另一路光信号通过光纤耦合器FC4分为相同的两路光信号，其中一路光信号依次通过可调光衰减器VOA4控制光功率和光纤反射镜M反射返回至从激光器SL2；另一路作为ECSL2输出的混沌光信号；
ECSL2输出的混沌光信号先通过可调光纤延迟线DL的延迟处理，再通过光电探测器PD2转换为混沌电信号，最后通过射频放大器RF3进行幅度放大后输入至解密模块，并作为相位调制器PM3的驱动信号进行相位解密；
在解密模块中，解密模块接收PM2输出的调制光信号，并作为输入信号，然后在驱动信号作用下进行混沌相位调制，输出调制光信号至WDM接收模块；
在WDM接收模块中，解密模块输出的调制光信号通过从解复用器DMUX分离出各信道的信号光，再分别输入至各光接收机，恢复出原始信号。
图2是WDM信号加密、解密后的光谱图。
在本实施例中，图2(a)是原始WDM信号、图2(b)加密后信号、图2(c)解密后信号的光谱。可以看到，相比于原始WDM信号，经过本方案提出的混沌谱相位加密后，光谱被明显展宽，加密后光谱类似于自发辐射噪声信号变得非常平坦，各个信道在光域的信道特征被完全隐藏。对于窃听方而言，无法直接破解信道参数(包括中心波长、信道间隔、信号速率、调制格式等)，因此保证了信号在链路中传输的安全性。对于合法接收方而言，在经过了相应的混沌谱相位解密后，能正确恢复出WDM信号，各个信道在光域能够明显分辨出来，因此验证了该方案的可行性。
图3是通信双方ECSL产生的混沌驱动信号的同步效果图。
在本实施例中，图3(a)是DSL输出信号的时域波形图；图3是(b)发送端ECSL1输出混沌信号的时域波形图；图3(c)接收端ECSL2输出混沌信号的时域波形图；图3(d)是DSL输出信号和ECSL1输出信号的互相关图；图3(e)是通信双方ECSL输出信号之间的互相关图。
我们采用互相关系数(CC)来量化其输出信号之间的相关性。一方面，发送端和接收端产生的混沌信号之间具有很高的相关性，这里我们采用常用的互相关系数(Cross-correlation coefficient,CC)来量化同步性能[N.Jiang,A.K.Zhao,C.P.Xue,J.M.Tang,and K.Qiu,“Physical secure optical communication based on private chaoticspectral phase encryption/decryption,”Opt.Lett.44(7),1536–1539(2019)]，CC值越接近1同步性能越好，通常当CC值超过0.9则说明实现了信号同步，而低于0.8时不同步。该方案产生的信号的互相关系数高达0.95，因此高相关性保证了信号的正确解调。另一方面，宽带随机光源随机产生的共同注入信号与通信双方产生的混沌信号之间没有相关性(CC＝0.06)，由于只有DSL输出的宽带随机光信号将在公共链路中传输，因此保证了通信双方的本地ECSL产生混沌信号的安全性的私密性。
图4是各信道原始信号、加密信号和解密信号对比图。
在本实施例中，我们以OOK信号为例进行说明，验证了4路12.5Gbps信号在50km光纤链路中的保密传输。其中，图4(a)是各信道原始信号图、图4(b)是各信道加密信号图、图4(c)是各信道解密信号图；可以看到，各信道加密信号图是完全关闭且杂乱无章的，相应的误码率高达0.3，因此对于窃听方而言，完全得不到有用的信息。对于合法接受方，通过正确的混沌谱相位解密后，成功恢复出了各信道的信号，解密信号图非常张开且清晰，相应的误码率低于10-5。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种基于混沌谱相位加密的物理层保密光纤通信系统，其特征在于，包括：发送端、接收端，以及连接发送端和接收端的光纤链路；
所述发送端包括：宽带随机光源、混沌激光产生模块、WDM信号源、加密模块、光纤耦合器FC1、可调光衰减器VOA1、光纤隔离器ISO1、光电探测器PD1、射频放大器RF2和主复用器MUX；
其中，所述宽带随机光源又包括主激光器DSL、任意波形发生器AWG、射频放大器RF1和相位调制器PM1；
所述混沌激光产生模块为一个外腔半导体激光器ECSL1，又包括：从激光器SL1、光纤耦合器FC2和FC3、可调光衰减器VOA2和光纤反射镜M；
所述WDM信号源又包括：多路光发射机TX和从复用器MUX；
在发送端，任意波形发生器AWG产生高斯白噪声信号，再经过射频放大器RF1放大后输入至相位调制器PM1，作为PM1的驱动信号；当主激光器DSL输出的光信号输入至相位调制器PM1时，在受到驱动信号的相位调制后输出调制光信号，再由光纤耦合器FC1分为相同的两路，其中一路光信号经过可调光衰减器VOA1调节光功率和光隔离器ISO1控制传输方向后，注入至发送端的混沌激光产生模块；另一路作为宽带随机光源输出的光信号；
从激光器SL1输出的激光信号经过光纤耦合器FC2分为相同两路，其中一路接收宽带随机光源的注入光信号，另一路光信号通过光纤耦合器FC3分为相同的两路光信号，其中一路光信号依次通过可调光衰减器VOA2控制光功率和光纤反射镜M反射返回至从激光器SL1；另一路作为ECSL1输出的混沌光信号；
ECSL1输出的混沌光信号通过光电探测器PD1转换为混沌电信号，再通过射频放大器RF2进行幅度放大后，输入至加密模块，并作为加密模块中相位调制器PM2的驱动信号进行相位加密；
在WDM信号源中，从复用器将不同波长的光发射机产生的光信号复用至一根光纤中，从而输出WDM信号至相位调制器PM2，作为PM2的输入光信号；PM2在驱动信号下进行混沌相位调制，输出调制光信号；
最后，宽带随机光源输出的光信号与PM2调制光信号通过主复用器复用至光纤链路；
所述光纤链路包括单模光纤SMF、色散补偿光纤DCF和光纤放大器EDFA；
在光纤链路中，光信号先通过单模光纤SMF进行传输，再通过色散补偿光纤DCF补偿光纤链路引入的色散，最后通过光纤放大器EDFA补偿光纤链路引起的信号光功率衰减，输入至接收端；
所述接收端包括：主解复用器DMUX、可调光衰减器VOA3、光纤隔离器ISO2、混沌激光产生模块、可调光纤延迟线DL、光电探测器PD2、射频放大器RF3、解密模块和WDM接收模块；
其中，所述混沌激光产生模块为另一个外腔半导体激光器ECSL2，其结构与ECSL1相同，包括：从激光器SL2、光纤耦合器FC4和FC5、可调光衰减器VOA4和光纤反射镜M；
所述WDM接收模块又包括：多路光接收机RX和从解复用器DMUX；
在接收端，首先通过主解复用器分离出由发送端宽带随机光源产生的光信号和PM2输出的调制光信号；然后，将宽带随机光源产生的光信号经过可调光衰减器VOA3调节光功率和光隔离器ISO2控制传输方向后注入至ECSL2的从激光器SL2中；将PM2输出的调制光信号输入至解密模块；
在ECSL2中，从激光器SL2输出的激光信号经过光纤耦合器FC5分为相同两路，其中一路接收宽带随机光源的注入光信号，另一路光信号通过光纤耦合器FC4分为相同的两路光信号，其中一路光信号依次通过可调光衰减器VOA4控制光功率和光纤反射镜M反射返回至从激光器SL2；另一路作为ECSL2输出的混沌光信号；
ECSL2输出的混沌光信号先通过可调光纤延迟线DL的延迟处理，再通过光电探测器PD2转换为混沌电信号，最后通过射频放大器RF3进行幅度放大后输入至解密模块，并作为相位调制器PM3的驱动信号进行相位解密；
在解密模块中，解密模块接收PM2输出的调制光信号，并作为输入信号，然后在驱动信号作用下进行混沌相位调制，输出调制光信号至WDM接收模块；
在WDM接收模块中，解密模块输出的调制光信号通过从解复用器DMUX分离出各信道的信号光，再分别输入至各光接收机，恢复出原始信号；
其中，所述PD2与PD1输出信号的幅度相同，幅值相反。
2.根据权利要求1所述的基于混沌谱相位加密的物理层保密光纤通信系统，其特征在于，所述主激光器DSL采用连续光激光器；所述从激光器SL1和SL2均选用分布反馈半导体激光器DFB。
3.根据权利要求1所述的基于混沌谱相位加密的物理层保密光纤通信系统，其特征在于，所述光发射机发送的信号为任意调制格式的光信号。
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