CN111555817A - 一种基于相干光系统的差速调制安全光通信方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于相干光系统的差速调制安全光通信方法及装置，所示方法包括：发送数据；第一相位调制；设置数据帧；第二相位调制隐藏信息；第一相位解调；计算隐藏相位信息；计算发送数据。本申请通过设置特定数据帧分段，进行两次相位调制不同速率的信号，在噪声的干扰下可实现高速数据传输的同时进行将低速信息隐藏传输，为正常传输提供了一种全新的低成本隐藏信息传输方案。

Description

一种基于相干光系统的差速调制安全光通信方法及装置

技术领域

本发明属于相干光通信技术领域，涉及一种基于相干光系统的差速调制安全光通信方法及装置。

背景技术

进入21世纪后，通信业务量激增使得光通信系统的信息容量和传输质量被提出了更高要求。为了满足需求，光通信系统需要进一步克服光纤色散效应导致的信号恶化、提升有限带宽内的传输容量、提升信号接收灵敏度实现更远的传输距离，因此相干光通信系统高速发展。这一阶段的相干光通信系统放弃了模拟光纤通信方式，不再使用光锁相环，取而代之的是DSP技术，不再应用调频等调制技术而是选择更先进的相干调制格式，具体如下：

(1)相干光通信系统中的调制：

如图1所示，描述了数字相干光通信系统的简易结构，该结构模型主要由调制发送端、光纤链路和数字相干接收机三部分组成。在调制发送端中，电信号通过各类电光调制器将幅度、相位、频率等不同信息加载到信号上，在部分系统中还会对电信号做预处理或对光信号进行整型处理。在光纤链路部分，主要由传输光纤和放大设备组成，常见的组合一般为C波段单模光纤和EDFA(Erbium Doped Fiber Application Amplifier，掺铒光纤放大器)，在部分系统中也会选择多模/多芯光纤或者利用拉曼放大器实现线上放大的作用。接收端由相干接收机和数字信号处理模块组成，接收到的信号光与本地振荡器产生的本振光都输入到90度光混频器中进行混频，再经过平衡探测器完成光电转换，最终在数字信号处理模块中完成信号的补偿和恢复，数字信号处理主要包括时钟恢复、频偏补偿、载波恢复和判决等多个步骤。

(2)修正的V-V相偏算法与最大似然相结合的恢复算法：

以16QAM信号为例，首先根据信号数据的振幅由小到大分割信号，分别是三个环C₁、C₂和C₃。取C₁和C₃上的数据，对其进行修正的V-V相偏恢复算法得到第一个相位估计值

该估计值可以由下式得到：

其中，s_i表示第i个符号，考虑到外圈C₃中所含有的星座点相较内圈C₁的星座点光信噪比更高，故引入权重系数W₁使得由外圈星座点估计所得的相位噪声估计值优于内圈星座点的估计结果。

在相位噪声的粗估计值

的基础上，接着对中间圈C₂中的符号根据粗估计值

进行补偿(乘以

)，并将经补偿的星座点及相应的符号判决结果共同输入到第一个最大似然相位估计器中，得残余的相位噪声

由此得到更精确的相位噪声：

将式(2)的结果作为第一阶段相位噪声估计的输出值。其中W₂是一个与C₂中包含星座点数占所有星座点的比重以及三圈星座点相应光信噪比相关的权重系数。在第一阶段处理的最后，对分布在C₁，C₂和C₃上的所有星座点乘以

做相位修正得x_n。

为了获得更精准可靠的相位噪声估计估计值，接着将第一阶段修正的结果x_n再次输入到第二阶段的最大似然相位估计器中，其结构如图(2)所示，得到第二阶段的相位噪声估计值

如下式：

其中，Im[·]是对信号取虚部，Re[·]是对信号取实部，

是对输入符号x_n的判决结果，且在第二阶段最大似然估计过程中涉及的符号长度为2M。

故该载波恢复模块输出的最终经相位噪声补偿的符号为

将x'_n输入后续的判决电路映射到01比特序列，即可实现接收信号的完整恢复。

目前，虽然基于DSP技术的高速相干光通信系统成为重要的研宄方向，但是基于相干通信系统，明文信息高速传输尚未与隐藏加密信息结合，高速明文信息传输同时隐藏传输信息尚未实现。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本申请提供一种基于相干光系统的差速调制安全光通信方法及装置，基于相干光通信系统，保证传输的高速和稳定性，核心在于使用专门的数据帧分段结构，经过两个不同速率的调制器，调制加密信息和传输信息，实现信息高速传输的同时隐藏传输加密信息，为正常传输提供一种全新的低成本隐藏信息传输方案。

为了实现上述目标，本申请的第一件发明采用如下技术方案：

一种基于相干光系统的差速调制安全光通信方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：发送端数据Data进行调制速率为A bps的第一相位调制，得到第一相位调制后的数据Phase；

步骤2：设置Phase的数据帧；

步骤3：对设置数据帧的Phase进行调制速率为B bps的第二相位调制隐藏信息值，得到每一帧数据分段信息值Phase_r，其中每个数据帧分段中隐藏相位信息值为Phase_hide，B＜A；

步骤4：Phase_r传输至数据接收端；

步骤5：接收端对Phase_r进行速率为A bps第一相位解调，得到第一相位解调数据Phase_pr和每个数据帧分段受到的线路相位噪声值Phase_noise；

步骤6：计算每个数据帧分段的隐藏相位信息值Phase_hide；

步骤7：计算发送端数据Data。

本发明进一步包括以下优选方案：

优选地，所述步骤1中采用非均匀的x阶PSK调制。

优选地，所述步骤2具体为：设置Phase的数据帧，每个数据帧分段包括m+n个符号，且数据发送端和接收端使用相同的数据分段结构。

优选地，所述步骤3具体为：对步骤2得到的每个数据帧分段中的第n+1至n+m个符号使用进行调制速率为B bps的第二相位调制隐藏相位信息值Phase_hide，每个数据帧分段中的起始n个符号不使用相位调制隐藏信息，得到每一帧数据分段信息值Phase_r。

优选地，所述步骤5具体为：接收端对Phase_r，使用修正的V-V相偏算法与最大似然相结合的恢复算法进行速率为A bps的第一相位解调，得到第一相位解调数据Phase_pr，Phase_r的起始n个符号的相位值Phase_r[n]与Phase_pr起始n个符号的相位值Phase_pr[n]做差得到每个数据帧分段受到的线路相位噪声值Phase_noise，即：Phase_noise＝Phase_r[n]-Phase_pr[n]。

优选地，所述步骤6具体为：对于Phase_pr，按照数据分段结构，从每个数据帧分段中的起始n个符号计算的相位值Phase_r[n]和第n+1至n+m个符号的相位信息Phase_r[n+1-n+m]做差值，得到每个数据帧分段的隐藏相位信息值Phase_hide，即：Phase_hide＝Phase_r[n+1-n+m]-Phase_r[n]；

优选地，所述步骤7具体为：根据步骤5得到的第一相位解调信息，按照数据分段结构，每个数据帧分段Phase_pr与各自分段中的线路相位噪声值Phase_noise和隐藏相位噪声值Phase_hide的和做差，得到Phase，即：Phase＝Phase_pr-(Phase_noise+Phase_hide)；

Phase解调后得到发送端数据Data。

本申请还公开了另一件发明，即一种基于相干光系统的差速调制安全光通信装置，包括节点发送模块、发射机、光纤链路、接收机和节点接收模块；

所述节点发送模块包括光发送单元和隐藏信息调制单元；

所述光发送单元用于发送端数据Data的发送；

所述隐藏信息调制单元用于发送端数据的差速相位调制，得到Phase_r；

所述发射机用于将Phase_r传输至接收机；

所述发射机与接收机之间通过光纤链路传输数据；

所述接收机用于将Phase_r传输至节点接收模块；

所述节点接收模块包括光接收单元和隐藏信息解调单元；

所述光接收单元用于接收Phase_r；

所述隐藏信息解调单元用于Phase_r的差速相位解调。

优选地，所述隐藏信息调制单元包括第一相位调制单元、数据分段单元和第二相位调制单元；

所述第一相位调制单元用于对光发送单元发送的数据进行调制速率为A bps的第一相位调制，得到第一相位调制后的数据Phase；

所述数据分段单元用于设置Phase的数据帧；

所述第二相位调制单元用于对设置数据帧的Phase进行调制速率为B bps的第二相位调制隐藏信息值，得到每一帧数据分段信息值Phase_r，其中每个数据帧分段中隐藏相位信息值为Phase_hide，B＜A。

优选地，所述隐藏信息解调单元包括第一相位解调单元、隐藏相位信息值计算单元和发送端数据计算单元；

所述第一相位解调单元用于对Phase_r进行速率为A bps第一相位解调，得到第一相位解调数据Phase_pr和每个数据帧分段受到的线路相位噪声值Phase_noise；

所述隐藏相位信息值计算单元用于计算每个数据帧分段的隐藏相位信息值Phase_hide；

所述发送端数据计算单元用于计算发送端数据Data。

本申请所达到的有益效果：

本申请通过设置特定数据帧分段，进行两次相位调制不同速率的信号，在噪声的干扰下可实现高速数据传输的同时进行将低速信息隐藏传输，是一种有效的安全信息传输方案。

附图说明

图1是数字相干光通信系统简易结构模型图；

图2是相位补偿算法流程图；

其中，(a)为相位补偿算法；(b)为修正的V-V算法；(c)最大似然估计；

图3是本申请一种基于相干光系统的差速调制安全光通信方法流程图；

图4是本申请一种基于相干光系统的差速调制安全光通信方法实施例图；

图5是本申请实施例中非均匀8PSK调制星座图；

图6是本申请实施例中数据帧分段示意图；

图7是本申请一种基于相干光系统的差速调制安全光通信装置结构图；

图8是本申请一种基于相干光系统的差速调制安全光通信装置实施例图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

按照本领域常见表述方式，Data及Phase表述数据流。

如图3所示，本申请在光纤通信的发射节点调制部分增加了第一相位调制、设置数据帧和第二相位调制隐藏信息，在接收节点解调和接收数据部分增加了第一相位解调、计算线路相位噪声、计算隐藏信息。

针对光网络严重依赖于密码方法来编码具有难以计算的密码的数据，来防止潜在的攻击者访问的现状，考虑到密码学虽然保持数据在计算上是保密的，但不会隐藏编码消息本身，窃听者知道正在传递消息，并且如果有足够的存储和计算资源可用，最终可能会破解加密并发现消息的缺陷。如图4所示，本申请提出一种基于相干光系统的差速调制安全光通信方法，包括以下步骤：

步骤1：发送端数据Data进行调制速率为A bps的第一相位调制，得到第一相位调制后的数据Phase；

本申请实施例中，所述步骤1中采用非均匀的x阶PSK调制。

例如：非均匀8PSK调制，是指8个对应星座点不是均匀分布在圆上，即相邻星座点向量之间的夹角不是都相等。非均匀8PSK调制规则有多种不同的设计，本方案初步采用16QAM调制星座中圈的8个星座点作为非均匀8PSK调制的星座点；即(I,Q)两路为(±1,±3)、(±3,±1)的8种组合，如图5所示。

步骤2：设置Phase的数据帧：

如图6所示，设置Phase的数据帧，每个数据帧分段包括m+n个符号，且数据发送端和接收端使用相同的数据分段结构。

步骤3：对设置数据帧的Phase进行调制速率为B bps的第二相位调制隐藏信息值，得到每一帧数据分段信息值Phase_r，其中每个数据帧分段中隐藏相位信息值为Phase_hide，B＜A：

如图6所示，对步骤2得到的每个数据帧分段中的第n+1至n+m个符号(白色符号)使用进行调制速率为B bps的第二相位调制隐藏相位信息值Phase_hide，每个数据帧分段中的起始n个符号(灰色符号)不使用相位调制隐藏信息，得到每一帧数据分段信息值Phase_r。

步骤4：Phase_r传输至数据接收端；

步骤5：接收端对Phase_r进行速率为A bps第一相位解调，得到第一相位解调数据Phase_pr和每个数据帧分段受到的线路相位噪声值Phase_noise：

接收端对Phase_r，使用修正的V-V相偏算法与最大似然相结合的恢复算法进行速率为A bps的第一相位解调，得到第一相位解调数据Phase_pr，Phase_r的起始n个符号的相位值Phase_r[n]与Phase_pr起始n个符号的相位值Phase_pr[n]做差得到每个数据帧分段受到的线路相位噪声值Phase_noise，即：Phase_noise＝Phase_r[n]-Phase_pr[n]。

步骤6：计算每个数据帧分段的隐藏相位信息值Phase_hide：

对于Phase_pr，按照数据分段结构，从每个数据帧分段中的起始n个符号计算的相位值Phase_r[n]和第n+1至n+m个符号的相位信息Phase_r[n+1-n+m](对于Phase_r[n+1-n+m]，方框中的“-”表示“至”)做差值，得到每个数据帧分段的隐藏相位信息值Phase_hide，即：Phase_hide＝Phase_r[n+1-n+m]-Phase_r[n]。

步骤7：计算发送端数据Data：

根据步骤5得到的第一相位解调信息，按照数据分段结构，每个数据帧分段Phase_pr与各自分段中的线路相位噪声值Phase_noise和隐藏相位噪声值Phase_hide的和做差，得到Phase，即：Phase＝Phase_pr-(Phase_noise+Phase_hide)；

Phase解调后得到发送端数据Data。

上述的基于相干光系统的差速调制安全光通信方法可以通过基于相干光系统的差速调制安全光通信装置实现，如图7所示，该装置包括节点发送模块、发射机、光纤链路、接收机和节点接收模块：

所述节点发送模块包括光发送单元和隐藏信息调制单元；

所述光发送单元用于发送端数据Data的发送；

所述隐藏信息调制单元用于发送端数据的差速相位调制，得到Phase_r；

所述发射机用于将Phase_r传输至接收机；

所述发射机与接收机之间通过光纤链路传输数据；

所述接收机用于将Phase_r传输至节点接收模块；

所述节点接收模块包括光接收单元和隐藏信息解调单元；

所述光接收单元用于接收Phase_r；

所述隐藏信息解调单元用于Phase_r的差速相位解调。

本申请具体实施例中，所述隐藏信息调制单元包括第一相位调制单元、数据分段单元和第二相位调制单元；

所述第一相位调制单元用于对光发送单元发送的数据进行调制速率为A bps的第一相位调制，得到第一相位调制后的数据Phase；

所述数据分段单元用于设置Phase的数据帧；

所述第二相位调制单元用于对设置数据帧的Phase进行调制速率为B bps的第二相位调制隐藏信息值，得到每一帧数据分段信息值Phase_r，其中每个数据帧分段中隐藏相位信息值为Phase_hide，B＜A。

所述隐藏信息解调单元包括第一相位解调单元、隐藏相位信息值计算单元和发送端数据计算单元；

所述第一相位解调单元用于对Phase_r进行速率为A bps第一相位解调，得到第一相位解调数据Phase_pr和每个数据帧分段受到的线路相位噪声值Phase_noise；

所述隐藏相位信息值计算单元用于计算每个数据帧分段的隐藏相位信息值Phase_hide；

所述发送端数据计算单元用于计算发送端数据Data。

图8给出了本申请的具体实施例，其中，节点1作为节点发送模块，节点2作为节点接收模块，相位调制1为第一相位调制单元、相位调制2作为第二相位调制单元，实施例流程为：

步骤1：节点1将发送端数据Data,在相位调制1中，做第一次非均匀8PSK调制，发送信息速率为10Gbps，得到Phase；

步骤2：设置数据帧分段结构n＝1,m＝31,一个分段长度是32个符号；

步骤3：相位调制2中，对每个帧数据分段结构中的第2-32个符号，做信息速率为100Mbps的QPSK(Quadrature Phase Shift Keying，正交相移键控)调制；

步骤4：步骤3数据依次经过发射机、光纤链路和接收机，传输至节点2；

步骤5：在节点2中，接收节点得到每一帧数据分段信息为Phase_r，使用修正的V-V相偏算法与最大似然相结合的恢复算法进行第一相位解调(速率：10Gbps)，得到相位解调数据Phase_pr，节点2的每个数据帧分段的第一个符号的相位值Phase_r[1]与高速解调后的相位值Phase_pr[1]做差,得到每个数据帧分段受到的线路相位噪声值Phase_noise；

步骤6：从每个数据帧分段中的第1个符号计算的相位值Phase_r[1]和第2至32个符号的到的相位信息Phase_r[2-32]做差值，得到每个数据帧分段的隐藏相位信息值Phase_hide,完成隐藏信息的传输；

步骤7：每个数据帧分段Phase_pr与各自分段中的线路相位噪声值Phase_noise和隐藏相位噪声值Phase_hide的和做差，得到发送节点的发送数据值Phase,最后进行8PSK解调，得到节点1处的发送端数据Data。本申请在不影响正常高速传输的情况下，完成了隐藏数据的传输。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于相干光系统的差速调制安全光通信方法，其特征在于：

所述方法包括以下步骤：

步骤1：发送端数据Data进行调制速率为A bps的第一相位调制，得到第一相位调制后的数据Phase；

步骤2：设置Phase的数据帧；

步骤3：对设置数据帧的Phase进行调制速率为B bps的第二相位调制隐藏信息值，得到每一帧数据分段信息值Phase_r，其中每个数据帧分段中隐藏相位信息值为Phase_hide，B＜A；

步骤4：Phase_r传输至数据接收端；

步骤5：接收端对Phase_r进行速率为A bps第一相位解调，得到第一相位解调数据Phase_pr和每个数据帧分段受到的线路相位噪声值Phase_noise；

步骤6：计算每个数据帧分段的隐藏相位信息值Phase_hide；

步骤7：计算发送端数据Data。

2.根据权利要求1所述的一种基于相干光系统的差速调制安全光通信方法，其特征在于：

所述步骤1中采用非均匀的x阶PSK调制。

3.根据权利要求2所述的一种基于相干光系统的差速调制安全光通信方法，其特征在于：

所述步骤2具体为：设置Phase的数据帧，每个数据帧分段包括m+n个符号，且数据发送端和接收端使用相同的数据分段结构。

4.根据权利要求3所述的一种基于相干光系统的差速调制安全光通信方法，其特征在于：

所述步骤3具体为：对步骤2得到的每个数据帧分段中的第n+1至n+m个符号使用进行调制速率为B bps的第二相位调制隐藏相位信息值Phase_hide，每个数据帧分段中的起始n个符号不使用相位调制隐藏信息，得到每一帧数据分段信息值Phase_r。

5.根据权利要求4所述的一种基于相干光系统的差速调制安全光通信方法，其特征在于：

所述步骤5具体为：接收端对Phase_r，使用修正的V-V相偏算法与最大似然相结合的恢复算法进行速率为A bps的第一相位解调，得到第一相位解调数据Phase_pr，Phase_r的起始n个符号的相位值Phase_r[n]与Phase_pr起始n个符号的相位值Phase_pr[n]做差得到每个数据帧分段受到的线路相位噪声值Phase_noise，即：Phase_noise＝Phase_r[n]-Phase_pr[n]。

6.根据权利要求5所述的一种基于相干光系统的差速调制安全光通信方法，其特征在于：

所述步骤6具体为：对于Phase_pr，按照数据分段结构，从每个数据帧分段中的起始n个符号计算的相位值Phase_r[n]和第n+1至n+m个符号的相位信息Phase_r[n+1-n+m]做差值，得到每个数据帧分段的隐藏相位信息值Phase_hide，即：Phase_hide＝Phase_r[n+1-n+m]-Phase_r[n]。

7.根据权利要求1-6任一所述的一种基于相干光系统的差速调制安全光通信方法，其特征在于：

所述步骤7具体为：根据步骤5得到的第一相位解调信息，按照数据分段结构，每个数据帧分段Phase_pr与各自分段中的线路相位噪声值Phase_noise和隐藏相位噪声值Phase_hide的和做差，得到Phase，即：Phase＝Phase_pr-(Phase_noise+Phase_hide)；

Phase解调后得到发送端数据Data。

8.一种基于相干光系统的差速调制安全光通信装置，包括节点发送模块、发射机、光纤链路、接收机和节点接收模块，其特征在于：

所述节点发送模块包括光发送单元和隐藏信息调制单元；

所述光发送单元用于发送端数据Data的发送；

所述隐藏信息调制单元用于发送端数据的差速相位调制，得到Phase_r；

所述发射机用于将Phase_r传输至接收机；

所述发射机与接收机之间通过光纤链路传输数据；

所述接收机用于将Phase_r传输至节点接收模块；

所述节点接收模块包括光接收单元和隐藏信息解调单元；

所述光接收单元用于接收Phase_r；

所述隐藏信息解调单元用于Phase_r的差速相位解调。

9.根据权利要求1所述的一种基于相干光系统的差速调制安全光通信装置，其特征在于：

所述隐藏信息调制单元包括第一相位调制单元、数据分段单元和第二相位调制单元；

所述第一相位调制单元用于对光发送单元发送的数据进行调制速率为A bps的第一相位调制，得到第一相位调制后的数据Phase；

所述数据分段单元用于设置Phase的数据帧；

所述第二相位调制单元用于对设置数据帧的Phase进行调制速率为B bps的第二相位调制隐藏信息值，得到每一帧数据分段信息值Phase_r，其中每个数据帧分段中隐藏相位信息值为Phase_hide，B＜A。

10.根据权利要求9所述的一种基于相干光系统的差速调制安全光通信装置，其特征在于：

所述隐藏信息解调单元包括第一相位解调单元、隐藏相位信息值计算单元和发送端数据计算单元；

所述第一相位解调单元用于对Phase_r进行速率为A bps第一相位解调，得到第一相位解调数据Phase_pr和每个数据帧分段受到的线路相位噪声值Phase_noise；

所述隐藏相位信息值计算单元用于计算每个数据帧分段的隐藏相位信息值Phase_hide；

所述发送端数据计算单元用于计算发送端数据Data。

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