一种基于混合光加密的物理层安全方法.docx
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2022-07-12
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随着第五代移动通信(5th Generation Mobile Communication Technology，5G)技术落地，
网络数据量急剧膨胀，光纤通信的高容量特性使得光纤在成为承载大量数据主要载体的同时，光纤
中数据的传输也遭受了各种安全威胁
[1-3]
。目前应用广泛的加密手段包括上层加密和物理层加密。
上层加密技术缺乏对认证控制帧以及加密报头的保护，同时存在复杂的密钥管理问题。光学系统的
物理层加密(简称光层加密)利用光信号处理固有的高速和并行性，不仅为上层数据提供了安全防护，
同时也为光纤上的透明传输数据提供了安全保护。
光层加密可以对全部数据进行加密，同时避免了可监视的电磁特征。光层加密的方法主要包括基于
非 线 性 四 波 混 频 (Four Wave Mixing， FWM)效 应 的 光 加 密
[4-6]
、 光 码 分 多 址
[7-8]
(Optical Code
Division Multiple Access，OCDMA)技术和混沌光加密
[9-10]
。目前，基于 FWM 效应的光加密方
案主要通过半导体光放大器实现，FWM 加密效果并不理想。同时为了防止 FWM 效应中的泵浦波
信号在信道中被窃听，泵浦波信号需要一个单独的安全信道进行传输，但是目前并没有通信协议指
定标准的安全信道。
针对系统安全性不足的问题，本文提出了一种基于高非线性光纤(Highly Nonlinear Fiber，HNLF)
简并 FWM 效应进行用户信息加密，同时也基于超结构光纤布拉格光栅(Super Structured Fiber
Bragg Grating，SSFBG)对密钥进行编码的混合光加密方案。
1 混合光加密原理分析
正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)信号的混合光加密方案主要由两个部分
组成，分别为 QPSK 信号加解密和密钥的隐匿传输。图 1 所示为本文所提 QPSK 信号的混合光加
密系统原理结构图。
图 1 QPSK 信号的混合光加密系统原理结构图
下载: 原图 | 高精图 | 低精图
为提升 QPSK 信号光传输系统的加解密效果，本文考虑使用简并形式非线性 FWM 效应对 QPSK 信
号进行加密。用户数据信息存在于 QPSK 信号的相位 θ
1
中，信号 S
1
(t)=exp(j2πf
1
t+θ
1
)，其中 j
为 复 数 虚 部 单 位 ， 相 位 θ
1
∈ {π/4 ， 3π/4 ， -π/4 ， -3π/4} 。 同 样 ， 经 过 QPSK 调 制 的 密 钥
S
2
(t)=exp(j2πf
2
t+θ
2
)，相位 θ
2
∈{π/4，3π/4，-π/4，-3π/4}。图 2 所示为 FWM 加解密过程，
图 2(a)所示为 FWM 加密过程。承载用户信息的 QPSK 信号波与承载密钥信息的 QPSK 泵浦波在
HNLF 上发生简并 FWM 效应，会产生频率为 f
3
=2f
2
-f
1
、相位为 θ
3
=2θ
2
-θ
1
的闲频波。这是由于纤
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