CN116827517A - 一种基于m-qam调制格式的高速混沌保密传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于M‑QAM调制格式的高速混沌保密传输系统，包括三部分：M‑QAM调制格式的加密混沌源：光混沌载波与消息信号通过光耦合器进行耦合得到混沌掩盖信号；光纤传输链路部分：混沌掩盖信号通过相位调制器进一步扰乱相位信息的方式提升混沌加密掩盖的安全性，随后进入光纤传输链路进行传输；混沌同步以及接收端相干检测数字信号处理部分：混沌信号在光纤传输的过程中，在光域上采用色散补偿光纤对传输的混沌信号进行色散补偿；在混沌保密通信系统的接收端，采用相干检测技术得到消息信号，相干检测后的信号通过数字信号处理的方式进行解码。本发明能够在多种传输业务、多种调制格式的混沌保密光传输系统中实长距离传输与解密。
Description
技术领域
本发明涉及多种传输业务、多种调制格式的高速混沌保密通信传输系统，尤其涉及一种基于M-QAM调制格式的高速混沌保密传输系统。
背景技术
随着互联网和通信技术的快速发展，各种新型的互联网服务不断涌现，光纤传输已然成为互联网应用的核心，目前已经承载了大量的数据流量，光纤通信系统不断朝着高速率、长距离的方向发展。由于光纤网络中存在被窃听的风险，光纤传输的数据泄露问题将会带来灾难性的后果。混沌光通信作为一种物理层加密方案，利用光电振荡器实现信号的掩盖隐藏已经在现有的传输系统中得到了验证。因此，混沌光通信技术的研究对光纤传输系统有重要研究意义。
光混沌信号的产生主要基于两种方式：一种是利用半导体激光器本身的非线性特性；另一种是利用外部光电调制器件的非线性特性。后一种方式产生的混沌信号带宽主要受光电器件的带宽影响，但是通过改变反馈环路的时延、反馈强度和带通滤波器的参数或者进一步引入其他非线性器件来增大混沌信号的带宽。2005年，Apostolos Argyris等人在希腊雅典城域网中利用光电混沌振荡源加密技术，并且率先使用商用光纤实现了2.4Gb/s信号的120km加密解密传输，误码率性能达到了1e-7以下。2009年，Romain等人在理论和实验上验证了10Gb/sDPSK相位混沌保密传输100km光纤距离。2020年，Zhao Yang等人仿真验证了利用相干解调技术以及数字信号处理算法可以将10Gb/s QPSK信号进行1000km的加密解密传输，误码率达到1e-3以下。随后，该小组实验上进一步成功验证了通过深度学习进行混沌同步，实现了30Gb/s QPSK混沌保密通信传输超过340km。综上所述，基于光电振荡混沌源的光纤保密通信系统研究工作给未来光通信安全传输的实际应用带来的巨大可能。进一步提高信号加密安全性提高传输速率，研究一种基于M-QAM信号的混沌保密光纤通信系统具有重要的研究意义。
发明内容
这对上述问题，本发明提供一种基于M-QAM调制格式的高速混沌保密传输系统。
本发明的一种基于M-QAM调制格式的高速混沌保密传输系统，包括三大部分：M-QAM调制格式的加密混沌源、光纤传输链路部分、混沌开环同步以及接收端相干检测数字信号处理部分。具体传输步骤为：
步骤1：根据传统强度OEO混沌源原理构建本方案的混沌延迟微分方程，其数学模型如下：
其中，V(t)为强度调制器MZM、相位调制器PM的射频驱动信号，是反馈环路的增益，Vπ为强度调制器的半波电压，VDC为MZM的直流偏置电压，P为连续波激光器的输出功率，G为射频放大器的增益，η为发射端混沌源反馈环路的损耗，R为反馈环路中光电探测器的响应度；τ和θ分别为反馈环路的高频、低频截止响应时间，α为发送端加密掩盖效率；T为发送端反馈环路的延迟时间；m(t)为M-QAM信号；t0为计算混沌载波的初始时刻。
通过对公式(1)进行四阶龙格-库塔算法求解得到混沌射频驱动信号V(t)，MZM输出信号可表示为式(2)，即为强度混沌载波信号c(t)。
其中，Ein为连续波激光器输出电场。
光耦合得到的混沌掩盖信号c(t)+m(t)，输出信号表示如下：
光耦合器输出的信号c(t)+m(t)再通过相位调制器进一步扰乱相位信息的方式提升混沌加密掩盖的安全性，即发送端输出为强度和相位均为混沌的加密信号，相位调制器输出信号表示如下：
步骤2：发送端输出的混沌加密信号进入光纤传输链路进行传输。在光纤传输的过程中，本发明考虑到在传输链路中存在光纤色散、非线性效应对传输信号的损伤。因此，在光域上采用色散补偿光纤(DCF)对传输的混沌信号进行色散补偿，保证混沌载波在光纤传输前后的相关系数尽可能的高。由非线性薛定谔方程可知，光纤的非线性效应于光纤的注入光功率有关，即通过降低入纤光功率抑制非线性效应。
步骤3：在混沌保密通信系统的接收端，先通过开环混沌同步的方式进行混沌消除，接收端混沌同步的数学模型如下：
其中τ、θ、β、VDC、α与发送端参数设置相同，V(t)为发送端产生的混沌信号。
混沌消除后得到M-QAM信号m(t)。再通过相干解调、数字信号处理(进行信号均衡、补偿)以及解码判决实现M-QAM信号解密。
本发明的一种基于M-QAM调制格式的高速混沌保密传输系统，用于对M-QAM信号进行加密传输。
本发明的有益技术效果为：从强度和相位两个维度进行多维加密，提高了混沌保密光通信系统的安全性，同时混沌同步采用开环同步的方式，较波分复用以及光注入同步方式，也进一步提高了光通信双方的通信安全性。
本发明通过采用新的混沌掩盖方，在接收端采用开环混沌同步实现混沌同步，然后结合数字信号处理方式进一步降低解密误码率，从而实现高速混沌保密信号的长距离传输与解密。
附图说明
图1为本发明的基于M-QAM调制格式的高速混沌保密传输系统框图。
图2为传输链路中不同色散补偿失配比率下，112Gb/s 16QAM信号进行光纤传输后解密后的误码率影响曲线图。
图3为不同掩盖效率条件下，112Gb/s 16QAM信号加密背靠背和进行光纤传输后解密后的误码率影响曲线图。
图4为收发两端混沌源各参数不同失配值下，112Gb/s 16QAM信号传输后混沌载波相关系数和解密后误码率影响曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的一种基于M-QAM调制格式的高速混沌保密传输系统，通过采用新的混沌掩盖方，在接收端采用开环混沌同步方式实现混沌同步，然后结合数字信号处理方式进一步降低解密误码率，从而实现高速混沌保密信号的长距离传输与解密。具体实现步骤为：1)在混沌保密光纤通信系统的发射端，光混沌载波c(t)与消息信号m(t)通过光耦合器进行耦合，从而得到混沌掩盖信号c(t)+m(t)，再通过相位调制器进一步扰乱相位信息的方式提升混沌加密掩盖的安全性，即发送端输出为强度和相位均为混沌的加密信号。2)发送端输出的混沌加密信号进入光纤传输链路进行传输。在光纤传输的过程中，本发明考虑到在传输链路中存在光纤色散、非线性效应对传输信号的损伤。因此，在光域上采用色散补偿光纤(DCF)对传输的混沌信号进行色散补偿，保证混沌载波在光纤传输前后的相关系数尽可能的高。由非线性薛定谔方程可知，光纤的非线性效应于光纤的注入光功率有关，即通过降低入纤光功率抑制非线性效应。3)在混沌保密通信系统的接收端，先通过开环混沌同步的方式进行混沌消除，混沌消除后得到M-QAM信号m(t)。再通过相干解调、数字信号处理(进行信号均衡、补偿)以及解码判决实现M-QAM信号解密。
图1为本发明的基于M-QAM调制格式的高速混沌保密传输系统框图，主要由三大部分组成：1)M-QAM调制格式的加密混沌源；信号源主要由信号光源(101)，信息调制模块(102)，该信号调制模块可以为相位调制器，也可以为IQM调制器，即消息信号可以为M-PSK、M-QAM信号；混沌加密模块(108)产生混沌载波，其主要使用连续激光器(103)作为混沌载波光源，非线性延迟反馈环模块(107)产生的电混沌信号同时作为强度调制器(104)、和相位调制器(106)的射频驱动信号，即可产生强度和相位均为混沌的混沌载波信号，之后经过光耦合器(105)将混沌载波和消息信号进行混沌掩盖，实现加密传输；2)光纤传输链路部分；先通过光隔离器(109)进行隔离，再通过N段标准单模光纤(1101～110N)进行传输，色散以及损耗分别由色散补偿光纤(1111～111N)、光放大器(1121～112N)进行补偿，最后在接收端前使用可调光滤波器(113)进行光学滤波，抑制带外产生的自发辐射噪声；3)混沌开环同步以及接收端相干检测数字信号处理部分；最后传输的信号达到接收端信号先进行混沌消除模块(119)得到消息信号；其中混沌消除模块(119)是与发送端对称的，组成器件主要由连续波激光器(116)、非线性延迟反馈环(115)、以及相位调制器(114)和强度调制器(117)组成，随后经过光耦合器(118)得到消息信号；最后进入相干接收机(120)进行相应的模数转换获得数字信号，最后通过数字处理算法模块(121)进行相应的信号均衡、补偿、解映射判决操作。
图2为本发明的基于M-QAM调制格式的高速混沌保密传输系统对色散补偿光纤补偿色散失配性能测试。对于长距离混沌保密光纤通信系统而言，器件参数设置对通信系统的鲁棒性影响很大。考虑到实际链路中可能存在色散补偿失配的情况，本发明分析了解密系统对色散不完全匹配的鲁棒性。从图2中可以看出，在10％的色散失配范围内可以得到的解密信号在软判决前向纠错门限值(20％ FEC)2e-2限制以下，系统的解密性能对于色散不完全失配的鲁棒性较强。
图3为本发明的基于M-QAM调制格式的高速混沌保密传输系统对不同掩盖效率下合法接收方解密误码率的性能测试。研究消息信号和混沌载波不同混合比例下的混沌光通信性能，通过控制可变衰减器来控制消息信号和混沌光载波的掩盖效率。不同的掩盖效率对应不同的加密效果。本发明中定义的掩盖效率为消息信平均功率与混沌光载波平均功率的比值。从图3中可以看出，解密之前对于所有掩盖效率条件下的误码率均高于软判决前向纠错门限值2e-2。因此，在该系统中混沌载波可以成功将信号进行隐藏，窃听者很难直接获取传输的消息信号。根据图3中变化曲线可知，合法接收方的解密性能随着掩盖效率的降低而降低，主要原因在于混沌载波完全掩盖消息信号的比率增大，导致接收方接收到信号的OSNR值降低，从而导致接收方解调误码率提高。
图4为本发明的基于M-QAM调制格式的高速混沌保密传输系统对混沌同步性能测试。混沌光通信系统的解密信号的误码率性能也依赖于收发两端的物理器件的参数匹配值。各参数的失配会引起混沌同步误差，并且将误差转化成噪声，加入到解密信号中，从而导致解密信号的误码率提高。图4(a)为延迟时间失配率对混沌同步系数以及误码率的影响曲线，失配时间在-5ps～5ps之间时，相关系数以及误码率可保证通信的可靠性；图4(b)为高频截止响应时间失配率对混沌同步系数以及误码率的影响曲线，失配率在±20％之间时，相关系数以及误码率可保证通信的可靠性；图4(c)为低频截止响应时间失配率对混沌同步系数以及误码率的影响曲线，失配率在±60％之间时，相关系数以及误码率可保证通信的可靠性；图4(d)为环路反馈强度失配率对混沌同步系数以及误码率的影响曲线，失配率在±30％之间时，相关系数以及误码率可保证通信的可靠性；图4(e)为偏置相位失配率对混沌同步系数以及误码率的影响曲线，失配率在±60％之间时，相关系数以及误码率可保证通信的可靠性；；图4(f)为多参数失配率对混沌同步系数以及误码率的影响曲线，失配率在±30％之间时，相关系数以及误码率可保证通信的可靠性；从图4中可以看出各参数在一定的失配范围内，可以保证混沌同步性能以及合法接收方解密误码率在软判决前向纠错门限值2e-2以下。也证明了该混沌保密光纤通信系统的存在一定的鲁棒性，在一定的失配范围内可保证合法接收方的解码性能。
Claims (2)
1.一种基于M-QAM调制格式的高速混沌保密传输系统，其特征在于，包括三大部分：M-QAM调制格式的加密混沌源、光纤传输链路部分、混沌同步以及接收端相干检测数字信号处理部分；具体传输步骤为：
步骤1：根据传统强度OEO混沌源原理构建本方案的混沌延迟微分方程，其数学模型如下：
其中，V(t)为强度调制器MZM、相位调制器PM的射频驱动信号，是反馈环路的增益，Vπ为强度调制器的半波电压，VDC为MZM的直流偏置电压，P为连续波激光器的输出功率，G为射频放大器的增益，η为发射端混沌源反馈环路的损耗，R为反馈环路中光电探测器的响应度；τ和θ分别为反馈环路的高频、低频截止响应时间，α为发送端加密掩盖效率；T为发送端反馈环路的延迟时间；m(t)为M-QAM信号；t0为计算混沌载波的初始时刻；
通过对公式(1)进行四阶龙格-库塔算法求解得到混沌射频驱动信号V(t)，MZM输出信号表示为式(2)，即为强度混沌载波信号c(t)；
其中，Ein为连续波激光器输出电场；
光耦合得到的混沌掩盖信号c(t)+m(t)，输出信号表示如下：
光耦合器输出的信号c(t)+m(t)再通过相位调制器进一步扰乱相位信息的方式提升混沌加密掩盖的安全性，即发送端输出为强度和相位均为混沌的加密信号，相位调制器输出信号表示如下：
步骤2：发送端输出的混沌加密信号进入光纤传输链路进行传输；在光纤传输的过程中，在光域上采用色散补偿光纤DCF对传输的混沌信号进行色散补偿，保证混沌载波在光纤传输前后的相关系数尽可能的高；由非线性薛定谔方程可知，光纤的非线性效应于光纤的注入光功率有关，即通过降低入纤光功率抑制非线性效应；
步骤3：在混沌保密通信系统的接收端，先通过开环混沌同步的方式进行混沌消除，接收端混沌同步的数学模型如下：
其中，τ、θ、β、VDC、α与发送端参数设置相同，V(t)为发送端产生的混沌信号；
混沌消除后得到M-QAM信号m(t)；再通过相干解调、数字信号处理，包括进行信号均衡、补偿，以及解码判决实现M-QAM信号解密。
2.根据权利要求1所述的一种基于M-QAM调制格式的高速混沌保密传输系统，其特征在于，在多种传输业务、多种调制格式的高速混沌保密通信传输系统的应用。
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