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高速光物理层加密样机的研制及性能分析

高速光物理层加密样机的研制及性能分析

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作者：刘芝付北京邮电大学

学位级别：硕士

随着社会的发展,人们越来越注重个人隐私问题,这对通信的安全性提出了更高的要求。作为骨干网中最常用的通信方式,光纤通信在如今社会发展中扮演着越来越重要的角色。但是这种通信方式并不是绝对安全的,针对于光纤通信的窃听具有方式多... 详细信息

随着社会的发展,人们越来越注重个人隐私问题,这对通信的安全性提出了更高的要求。作为骨干网中最常用的通信方式,光纤通信在如今社会发展中扮演着越来越重要的角色。但是这种通信方式并不是绝对安全的,针对于光纤通信的窃听具有方式多样、操作简单、成本较低、不易被发现的特点。因此对光纤传输的信号进行加密处理很有必要。相比于电域加密处理,光域加密处理没有电子瓶颈的限制,具有处理速度快、功耗低等优势;相比于IPsec、MACsec加密技术,物理层加密能实现全数据加密、加密延时小等优势;相比于其他对称加密方式和非对称加密方式,一次一密的异或加密方式具有绝对安全性。因此选择在光域物理层的一次一密的异或加密方式来进行传输数据的加密处理。结合光IQ调制器的特点,恰好能实现光域物理层的异或加密运算,在将电信号调制到光信号上的同时也进行了加密处理,即调制和加密一体化。这种方式具有结构简单、可靠性高、性能优良的特点。采取精准控制加载到IQ调制器上的明文信号与密钥信号的射频线长度的方式,使两路信号同步,减少逻辑运算中的竞争冒险现象的发生。论文详细阐述了加密样机的设计原理和研制过程。第一,探究了总体方案的设计,包括光域物理层加密的特点,异或加密的优势,仿真验证,实验验证。第二,完成基于IQ调制器原理的光路设计,采用调制和加密一体化的方案搭建光路系统,并对整个光路消光比等参数进行系统性能优化。第三,完成各电路模块的设计,搭建完整电路系统,制作出性能良好的电路系统。第四,考虑到应用性能,对机箱进行模块化的合理布局设计,符合用户使用习惯和行业标准,以便于加密样机的应用和推广。最终设计的加密样机在较大的传输速率范围内能实现密钥对明文的加密效果,输出的密文信号质量良好,消光比大于10 dB、Q因子大于8.5。

关键词：光物理层加密样机研制光域异或 IQ调制器

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基于数字偏振态扰动的偏分复用相干光通信系统物理层加密技术研究

基于数字偏振态扰动的偏分复用相干光通信系统物理层加密技术研究

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作者：郜传伟北京邮电大学

学位级别：硕士

从稍早前物联网、虚拟现实、增强现实的方兴未艾,到近年来5G、元宇宙、人工智能等新概念新技术的提出,全球互联网业务进入了扩张的快车道,数据总量的规模也呈现出指数级的增长速度,这给通信技术提出了新的要求,需要速率、带宽等性能更... 详细信息

从稍早前物联网、虚拟现实、增强现实的方兴未艾,到近年来5G、元宇宙、人工智能等新概念新技术的提出,全球互联网业务进入了扩张的快车道,数据总量的规模也呈现出指数级的增长速度,这给通信技术提出了新的要求,需要速率、带宽等性能更好的通信技术来支撑网络数据的传输,以满足互联网业务的需求。偏分复用相干光通信系统(Coherent Optical Polarization Division Multiplexing,CO-PDM)技术具有频谱利用率高、容量大、便于在接收端使用数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)技术进行损伤均衡等特点,已成为目前光纤传输系统的主要技术之一。随着数据量的飙升,数据安全问题也显得愈发重要,近年来大规模的公司及政府敏感数据泄露事件时有发生,对数字经济的平稳发展造成了巨大隐患。在以往提高数据安全的方案中,大多聚焦于对通信网络上层进行系统加密,但是从复杂度以及加密数据覆盖范围等角度比较而言,对通信系统在物理层进行加密是更加安全也更加经济的方式。因此本论文中主要对CO-PDM系统的物理层加密技术进行研究。在物理层上对通信系统进行加密具有多样性,方式十分灵活。在调研其他光物理层加密的方法和发展趋势后,并结合CO-PDM系统的相关特性,本论文选择使用数字偏振器件矩阵在电域中对信号进行数据扰动从而实现数据的加密,并采用对称加密结构,这样的加密方法易于实现且灵活多变,成本较低。本论文在详细研究CO-PDM系统的基本原理和结构基础上,使用数字偏振态扰动技术对CO-PDM系统的数据进行加密,从而提升系统安全性。主要的研究工作如下:(1)利用CO-PDM系统对偏振效应的敏感性,使用偏振作为一个新的加密维度对CO-PDM系统进行加密,有效的对信号星座图进行了置乱。由于CO-PDM系统使用了光信号的偏振维度,因此调制光信号会受到偏振态旋转(Rotation of State of Polarization,RSOP)等损伤的影响,且传统的恒模算法(Constant Modulus Algorithm,CMA)对RSOP的补偿能力有限,仅有2Mrad/s。本文提出的加密方案利用这一特点在电域中使用数字偏振器件对信号进行扰动,由于调制器的近似线性调制特性,即会在调制光信号中引入人为可控的高速RSOP,其中RSOP速度可以高达50Mrad/s,增加了非法接收方获得有效信息的难度,提高了系统的安全性。(2)本文设计实现了三种不同的加密模式及相应的参数序列生成方案,在电域使用数字偏振器件对信号进行加密扰动。搭建40Gbps的PDM-QPSK相干光通信仿真系统验证了该加密方案的可行性,在接收端三种加密模式下非法接收方误码率(Bit Error Rate,BER)均为0.5左右,这表明在三种加密模式下成功对数据实现了加密。(3)对三种加密模式进行了传输性能和加密性能分析。结果显示,对于合法接收方,当系统光信噪比(Optical Signal Noise Ratio,OSNR)大于9.5 dB时,三种模式下的BER均小于硬判决下的前向纠错门限;加密系统的最大无中继传输距离约为140km。由于三种加密模式的密钥空间较小,可能无法抵御窃听者的穷举攻击,本文在生成参数序列过程中引入混沌系统对加密方案进行了优化,使得加密方案的密钥空间达到1052量级,能够增强系统抵御穷举攻击带来的安全性威胁的能力。

关键词：偏分复用相干光通信系统光物理层加密数据安全偏振态旋转

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