強(qiáng)色散控制光保密通信系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)調(diào)諧技術(shù)

高 瞻，初 銘，趙雅靜，羅 天，譚 毅，蔡 炬

（1.江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210019；2.成都信息工程大學(xué)，四川 成都 610225）

強(qiáng)色散控制光保密通信系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)調(diào)諧技術(shù)

高 瞻1，初 銘2，趙雅靜2，羅 天2，譚 毅2，蔡 炬2

（1.江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210019；2.成都信息工程大學(xué)，四川 成都 610225）

提出一種動(dòng)態(tài)強(qiáng)色散控制光保密通信方案中的動(dòng)態(tài)調(diào)諧技術(shù)。首先對(duì)基于動(dòng)態(tài)強(qiáng)色散控制的保密通信原理進(jìn)行闡述，給出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖，分析加解密模塊中的固定色散模塊和可調(diào)色散模塊的工作原理和作用，并著重分析目前可能被用作加解密方案的啁啾光纖光柵+光開關(guān)這種動(dòng)態(tài)色散調(diào)諧技術(shù)方案，然后通過搭建高速保密光通信仿真系統(tǒng)，對(duì)由光開關(guān)與多個(gè)啁啾光纖光柵組合形成的動(dòng)態(tài)加解密模塊進(jìn)行仿真，并對(duì)其可行性和系統(tǒng)性能進(jìn)行驗(yàn)證。

光保密通信系統(tǒng)；強(qiáng)色散控制；動(dòng)態(tài)色散調(diào)諧；密鑰

0 引 言

色散管理技術(shù)在高速光通信系統(tǒng)[1-4]中得到了廣泛應(yīng)用。該技術(shù)使系統(tǒng)性能得到有效增強(qiáng)，表現(xiàn)在非線性效應(yīng)和定時(shí)抖動(dòng)都能明顯減少[2-4]。利用這一技術(shù)，文獻(xiàn)[4]提出了一種全新的動(dòng)態(tài)強(qiáng)色散控制原理的光保密通信方案。它主要是對(duì)光信號(hào)和密鑰通道進(jìn)行處理。對(duì)前者的處理為：只有經(jīng)過色散展寬的光信號(hào)才能在傳輸系統(tǒng)中傳輸，同時(shí)要想得到原始波形，光脈沖在接收前要得到同步精確補(bǔ)償；對(duì)于后者的處理：通過其對(duì)已加密信息進(jìn)行反饋，并反饋到接收端，這種方法的原理就是通過色散量的動(dòng)態(tài)改變來實(shí)現(xiàn)。在光纖通信中，此光保密通信系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)比較廣泛，在自由空間光通信中也可以得到利用。無論是獨(dú)立應(yīng)用，還是在其他一些保密技術(shù)的基礎(chǔ)上加以創(chuàng)新，都能使這種保密通信方案更能發(fā)揮保密性能，如在原有編碼加密計(jì)劃中加入其保密方案。在許多對(duì)于保密通信有需求的領(lǐng)域如軍事、金融、政府等，上述的光保密通信技術(shù)若應(yīng)用其中，必將發(fā)揮巨大作用。本文首先簡要介紹基于強(qiáng)色散控制的光保密通信系統(tǒng)原理，然后對(duì)其最重要的加解密模塊的實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行分析，并提出啁啾光纖光柵+光開關(guān)動(dòng)態(tài)色散調(diào)諧技術(shù)方案，然后利用Matlab搭建一個(gè)高速準(zhǔn)線性強(qiáng)色散控制光保密通信系統(tǒng)，并根據(jù)仿真對(duì)方案的可行性和系統(tǒng)性能進(jìn)行驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)原理

通常，一個(gè)保密通信系統(tǒng)包括信源、加密、信道、解密和信宿五個(gè)部分，如圖1所示。密鑰可以通過密鑰通道控制加密部分和解密部分，信息的加密和解密也可以調(diào)節(jié)事先預(yù)定好的規(guī)則得到實(shí)現(xiàn)。在保密通信系統(tǒng)中，確保信息能在信道中安全傳送是保密系統(tǒng)最重要的目的。也就是說，使發(fā)送者“Alice”能夠與接收者“Bob”安全通信，而竊聽者“Eve”難以竊聽到所傳遞的信息內(nèi)容[5]。

圖1 基于動(dòng)態(tài)強(qiáng)色散控制的光保密通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于動(dòng)態(tài)強(qiáng)色散控制的光保密通信系統(tǒng)與通常的準(zhǔn)線性傳輸系統(tǒng)的信源、信道和信宿基本一致，而加密部分和解密部分不同。加密部分由固定色散模塊與可調(diào)色散模塊組成，其色散值DE可高達(dá)數(shù)百至數(shù)千ps/nm，如圖1所示。色散模塊在加密部分把由信源發(fā)射出的光脈沖較大程度地展寬，使脈沖之間發(fā)生較大程度的重疊，脈沖序列的波形不能被識(shí)別并表現(xiàn)為一種類似于噪聲的波形，在得到較精確的補(bǔ)償后才能被識(shí)別。由于傳輸通道的色散系數(shù)均為正值（如標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SMF）在1 550 nm處的色散系數(shù)為17 ps/nm/km），所以信道在傳輸這種類似噪聲的行為時(shí)，會(huì)將信道傳輸?shù)拿}沖進(jìn)一步展寬和重疊。脈沖序列從傳輸信道輸出，將進(jìn)入解密部分。固定色散補(bǔ)償模塊和可調(diào)色散補(bǔ)償模塊共同組成解密部分，其模塊色散值DD與傳輸 信道中的累積色散值符號(hào)相反，大小等于傳輸信道中的累積色散值與加密部分中色散模塊的色散值的和。解密部分的色散補(bǔ)償使脈沖波形恢復(fù)為原來波形，把脈沖發(fā)送到信宿進(jìn)行正常接收。折舊構(gòu)成了一個(gè)完整的保密通信過程。

密鑰控制部分由負(fù)責(zé)產(chǎn)生和發(fā)送密鑰信息兩部分組成。色散補(bǔ)償值、發(fā)送時(shí)刻（需考慮密鑰通道的傳輸時(shí)延差）和一系列的色散值組成密鑰信息。密鑰控制就是對(duì)脈沖序列的動(dòng)態(tài)色散控制的實(shí)現(xiàn)。首先在密鑰通道中使可調(diào)色散模塊和可調(diào)色散補(bǔ)償模塊同步接收密鑰信息，其次實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)并同步地調(diào)節(jié)色散模塊的色散值。

通常，如果在不同時(shí)刻對(duì)脈沖序列施加了不同的色散值，那么信道中同一脈沖所含的不同頻率成分將處與不同位置，且信道中某一確定位置上會(huì)出現(xiàn)不同光脈沖的各種頻率成分，即脈沖展寬和脈沖之間的重疊，從而較大程度地增大竊聽者Eve破解信息的難度。如果發(fā)送某段信息使用的所有密鑰信息沒有被Eve精確復(fù)原，那么這段信息就不會(huì)被Eve竊取。所以，基于色散控制的保密通信系統(tǒng)的可靠性，通過動(dòng)態(tài)強(qiáng)色散控制技術(shù)得到了極大增強(qiáng)。

2 動(dòng)態(tài)調(diào)諧技術(shù)

基于強(qiáng)色散控制的光保密通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)保密功能的重點(diǎn)在加解密模塊上，而加解密模塊的關(guān)鍵在可調(diào)色散（補(bǔ)償）模塊。因此，如何實(shí)現(xiàn)色散值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化以及相應(yīng)的實(shí)時(shí)精確補(bǔ)償，成為系統(tǒng)保密功能能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。目前，較為成熟的色散補(bǔ)償技術(shù)有色散補(bǔ)償光纖、啁啾光纖光柵CFBG、虛像相位陣列VIPA[6]、平面光波導(dǎo)PLC、陣列波導(dǎo)光柵AWG等幾種。通過從加密性能、實(shí)時(shí)性、引入插損、復(fù)雜度、性價(jià)比等多方面比較，本文最終選擇了啁啾光纖光柵+光開關(guān)動(dòng)態(tài)色散調(diào)諧技術(shù)方案。

事實(shí)上，市場(chǎng)上有一些可調(diào)色散值的CFBG銷售，但其色散調(diào)諧范圍仍無法滿足強(qiáng)色散控制光保密通信系統(tǒng)中加解密模塊中的動(dòng)態(tài)范圍需求。因此，本文提出了如圖2所示的加解密模塊結(jié)構(gòu)方案。此方案采用光開關(guān)+CFBG的組合形成加解密模塊。加密模塊中，光開關(guān)1后的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖SMF起固定色散模塊的作用，其后的啁啾布拉格光纖光柵CFBG為動(dòng)態(tài)色散模塊，且不同的CFBG擁有不同的色散量，以擴(kuò)大色散調(diào)諧的動(dòng)態(tài)范圍。通過控制單元控制光開關(guān)1選擇不同的加密通道（即選擇不同的CFBG）來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)色散調(diào)諧的功能。不同加密通道的色散值及時(shí)間信息作為密鑰信息通過密鑰通道，同步傳遞給解密模塊，從而控制光開關(guān)2的操作。在此解密模塊與加密模塊中，CFBG個(gè)數(shù)和色散補(bǔ)償量相互對(duì)應(yīng)。

圖2 CFBG+光開關(guān)的動(dòng)態(tài)加解密模塊系統(tǒng)原理

3 系統(tǒng)仿真

通過搭建基于動(dòng)態(tài)強(qiáng)色散控制的光保密通信模擬系統(tǒng)，來驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性及系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)際工作方案的數(shù)值分析。系統(tǒng)環(huán)境要求為準(zhǔn)線性區(qū)域，信道為SMF，光場(chǎng)的演化可根據(jù)快速分步傅里葉法FFT進(jìn)行數(shù)值分析。數(shù)據(jù)的設(shè)定如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)設(shè)定

表1中的可調(diào)色散補(bǔ)償模塊的色散值范圍是0～1 600 ps/nm。要使每20個(gè)比特時(shí)隙改變一次色散值，即需要每500 ps就動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)一次可調(diào)色散（補(bǔ)償）模塊的色散值。需要注意的是，在實(shí)際的仿真中，色散模塊和色散補(bǔ)償模塊不能被理想化，其模塊會(huì)引入光纖的損耗、插損和偏振模色散（PMD）。在專注色散控制效應(yīng)研究時(shí)，這些效應(yīng)在實(shí)際系統(tǒng)中分別可以通過光放大器和PMD補(bǔ)償器件得到較好補(bǔ)償。所以，此假設(shè)對(duì)于仿真結(jié)果的可靠性不會(huì)造成實(shí)質(zhì)性影響。

圖2中不同光信號(hào)在加密模塊中被光開關(guān)1按照控制單元的指令要求輸入到加密通道K1～Kn中；在解密模塊中，為了匹配每組CFBG都能夠正常運(yùn)行，解密端的光開關(guān)利用加密時(shí)延差進(jìn)行同步切換。圖3～圖6的仿真結(jié)果是由于使用了25-1的偽隨機(jī)碼流（PRBS）作為調(diào)制光發(fā)射器，“111010”序列的波形在系統(tǒng)中的演化可以很明顯確切地看出。這里，對(duì)圖中的縱坐標(biāo)調(diào)整為歸一化功率。圖3是進(jìn)入加密模塊之前的初始信號(hào)的部分初始脈沖序列；加密模塊輸出，光脈沖展寬成類似噪聲的波形，如圖4；圖5為恢復(fù)后的波形圖，恢復(fù)處理包括實(shí)時(shí)處理、同步處理和準(zhǔn)確地色散補(bǔ)償，而所示的眼圖為完整的脈沖序列眼圖，很形象地顯示出幅度抖動(dòng)極大，但定時(shí)抖動(dòng)較小，充分反映了準(zhǔn)線性傳輸系統(tǒng)的性能特點(diǎn)。由于眼圖比較好，眼圖張開的寬度比較大，可知傳輸比較優(yōu)質(zhì)。圖6所示波形圖為選擇的色散補(bǔ)償值較準(zhǔn)確時(shí)解密后“恢復(fù)”的波形，但因?qū)⑼窖a(bǔ)償時(shí)間延后50 ps，其插圖表明眼圖的圖形雜亂，系統(tǒng)已經(jīng)無法正常工作，說明同步補(bǔ)償對(duì)于圖形波形的恢復(fù)起到了至關(guān)重要的作用，尤其在動(dòng)態(tài)強(qiáng)色散控制的情況下。

由圖3～圖6可知，光脈沖在進(jìn)入加密模塊之前，波形圖是完整的高斯脈沖；經(jīng)過加密處理，加密輸出后其波形形成類似噪聲的形式，且在系統(tǒng)信道的傳輸過程中（整個(gè)60 km）一直持續(xù)這種狀態(tài)，此時(shí)的形狀得不到原來的初始波形，根本無法辨識(shí)。因此，重點(diǎn)在與解密模塊的設(shè)計(jì)。通過解密部分中色散精確補(bǔ)償，原本雜亂的脈沖得以精確還原。此外，值得注意的是，由于信道特性的影響，傳輸中各個(gè)脈沖極大程度的展寬和重疊，位于圖3～圖6中10～15 bit位置的波形與相鄰位置的脈沖關(guān)系密切，后者對(duì)前者有相當(dāng)大的貢獻(xiàn)。前者包括“111010”脈沖等的其他相鄰各頻率成分組成；同時(shí)，前者“111010”脈沖的一些頻率成分也位于這段位置之外。

圖3 部分初始脈沖序列

圖4 動(dòng)態(tài)色散控制下脈沖序列在光纖中的演化

圖5 準(zhǔn)確補(bǔ)償后恢復(fù)的脈沖波形及眼圖

圖6 未得到同步補(bǔ)償時(shí)的波形及眼圖

4 結(jié) 語

本文提出了一種基于光開關(guān)與多個(gè)啁啾光纖光柵組合而成的動(dòng)態(tài)光保密通信方案中的動(dòng)態(tài)色散調(diào)諧技術(shù)，并且通過仿真驗(yàn)證了其可行性。仿真結(jié)果表明，這種動(dòng)態(tài)色散調(diào)諧技術(shù)不僅動(dòng)態(tài)調(diào)諧范圍大，實(shí)時(shí)性高，且可以根據(jù)需要定制特殊的CFBG，以達(dá)到更高的保密性要求。

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高 瞻（1976—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楣馔ㄐ畔到y(tǒng)；

初 銘（1993—），女，碩士，主要研究方向?yàn)楣馔ㄐ畔到y(tǒng)；

趙雅靜（1993—），女，碩士，主要研究方向?yàn)楣馔ㄐ畔到y(tǒng)；

羅 天（1996—），男，學(xué)士，主要研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)；

譚 毅（1980—），男，碩士，講師，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)；

蔡 炬（1970—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)楣馔ㄐ畔到y(tǒng)。

Dynamic Tuning Technology in Strong Dispersion Control Optical Secure Communication System

GAO Zhan1, CHU Ming2, ZHAO Ya-jing2, LUO Tian2, TAN Yi2, CAI Ju2
(1.Jiangsu Post & Telecommunications Planning and Designing Institute Co., Ltd., Nanjing Jiangsu 210019, China; 2.Chengdu University of Information Technology, Chengdu Sichuan 610225, China)

A dynamic tuning technology in strong dispersion control optical secure communication system is proposed. The principle of optical secure communication based on dynamic strong dispersion control is analyzed firstly, then the principle and role of the fixed dispersion module and tunable dispersion module discussed, based on the given system diagram, in particular, on the chirped fiber grating + optical switch solution. Finally the high-speed simulation is done, and it indicates the feasibility of dynamic encryption/ decryption module solution.

optical secure communication system; strong dispersion control; dynamic dispersion tuning; key

TN913.7

A

1002-0802(2016)-12-1603-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.12.006

2016-08-19

2016-11-12 Received date:2016-08-19;Revised date:2016-11-12

四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目（No.16ZA0215）；四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（No.2013GZ0014）

Foundation Item:Key Project of Sichuan Education Department(No.16ZA0215);Sichuan Provincial Science and Technology Supporting Program(No.2013GZ0014)