強色散控制光保密通信系統中的動態調諧技術

高 瞻，初 銘，趙雅靜，羅 天，譚 毅，蔡 炬

（1.江蘇省郵電規劃設計院有限責任公司，江蘇 南京 210019；2.成都信息工程大學，四川 成都 610225）

強色散控制光保密通信系統中的動態調諧技術

高 瞻1，初 銘2，趙雅靜2，羅 天2，譚 毅2，蔡 炬2

（1.江蘇省郵電規劃設計院有限責任公司，江蘇 南京 210019；2.成都信息工程大學，四川 成都 610225）

提出一種動態強色散控制光保密通信方案中的動態調諧技術。首先對基于動態強色散控制的保密通信原理進行闡述，給出系統的結構原理框圖，分析加解密模塊中的固定色散模塊和可調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+光開關這種動態色散調諧技術方案，然后通過搭建高速保密光通信仿真系統，對由光開關與多個啁啾光纖光柵組合形成的動態加解密模塊進行仿真，并對其可行性和系統性能進行驗證。

光保密通信系統；強色散控制；動態色散調諧；密鑰

0 引 言

色散管理技術在高速光通信系統[1-4]中得到了廣泛應用。該技術使系統性能得到有效增強，表現在非線性效應和定時抖動都能明顯減少[2-4]。利用這一技術，文獻[4]提出了一種全新的動態強色散控制原理的光保密通信方案。它主要是對光信號和密鑰通道進行處理。對前者的處理為：只有經過色散展寬的光信號才能在傳輸系統中傳輸，同時要想得到原始波形，光脈沖在接收前要得到同步精確補償；對于后者的處理：通過其對已加密信息進行反饋，并反饋到接收端，這種方法的原理就是通過色散量的動態改變來實現。在光纖通信中，此光保密通信系統的應用已經比較廣泛，在自由空間光通信中也可以得到利用。無論是獨立應用，還是在其他一些保密技術的基礎上加以創新，都能使這種保密通信方案更能發揮保密性能，如在原有編碼加密計劃中加入其保密方案。在許多對于保密通信有需求的領域如軍事、金融、政府等，上述的光保密通信技術若應用其中，必將發揮巨大作用。本文首先簡要介紹基于強色散控制的光保密通信系統原理，然后對其最重要的加解密模塊的實現方案進行分析，并提出啁啾光纖光柵+光開關動態色散調諧技術方案，然后利用Matlab搭建一個高速準線性強色散控制光保密通信系統，并根據仿真對方案的可行性和系統性能進行驗證。

1 系統原理

通常，一個保密通信系統包括信源、加密、信道、解密和信宿五個部分，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節事先預定好的規則得到實現。在保密通信系統中，確保信息能在信道中安全傳送是保密系統最重要的目的。也就是說，使發送者“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容[5]。

圖1 基于動態強色散控制的光保密通信系統結構

基于動態強色散控制的光保密通信系統與通常的準線性傳輸系統的信源、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色散模塊組成，其色散值DE可高達數百至數千ps/nm，如圖1所示。色散模塊在加密部分把由信源發射出的光脈沖較大程度地展寬，使脈沖之間發生較大程度的重疊，脈沖序列的波形不能被識別并表現為一種類似于噪聲的波形，在得到較精確的補償后才能被識別。由于傳輸通道的色散系數均為正值（如標準單模光纖（SMF）在1 550 nm處的色散系數為17 ps/nm/km），所以信道在傳輸這種類似噪聲的行為時，會將信道傳輸的脈沖進一步展寬和重疊。脈沖序列從傳輸信道輸出，將進入解密部分。固定色散補償模塊和可調色散補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。解密部分的色散補償使脈沖波形恢復為原來波形，把脈沖發送到信宿進行正常接收。折舊構成了一個完整的保密通信過程。

密鑰控制部分由負責產生和發送密鑰信息兩部分組成。色散補償值、發送時刻（需考慮密鑰通道的傳輸時延差）和一系列的色散值組成密鑰信息。密鑰控制就是對脈沖序列的動態色散控制的實現。首先在密鑰通道中使可調色散模塊和可調色散補償模塊同步接收密鑰信息，其次實時、動態并同步地調節色散模塊的色散值。

通常，如果在不同時刻對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出現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。如果發送某段信息使用的所有密鑰信息沒有被Eve精確復原，那么這段信息就不會被Eve竊取。所以，基于色散控制的保密通信系統的可靠性，通過動態強色散控制技術得到了極大增強。

2 動態調諧技術

基于強色散控制的光保密通信系統實現保密功能的重點在加解密模塊上，而加解密模塊的關鍵在可調色散（補償）模塊。因此，如何實現色散值的實時動態變化以及相應的實時精確補償，成為系統保密功能能否實現的關鍵。目前，較為成熟的色散補償技術有色散補償光纖、啁啾光纖光柵CFBG、虛像相位陣列VIPA[6]、平面光波導PLC、陣列波導光柵AWG等幾種。通過從加密性能、實時性、引入插損、復雜度、性價比等多方面比較，本文最終選擇了啁啾光纖光柵+光開關動態色散調諧技術方案。

事實上，市場上有一些可調色散值的CFBG銷售，但其色散調諧范圍仍無法滿足強色散控制光保密通信系統中加解密模塊中的動態范圍需求。因此，本文提出了如圖2所示的加解密模塊結構方案。此方案采用光開關+CFBG的組合形成加解密模塊。加密模塊中，光開關1后的標準單模光纖SMF起固定色散模塊的作用，其后的啁啾布拉格光纖光柵CFBG為動態色散模塊，且不同的CFBG擁有不同的色散量，以擴大色散調諧的動態范圍。通過控制單元控制光開關1選擇不同的加密通道（即選擇不同的CFBG）來實現動態色散調諧的功能。不同加密通道的色散值及時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2的操作。在此解密模塊與加密模塊中，CFBG個數和色散補償量相互對應。

圖2 CFBG+光開關的動態加解密模塊系統原理

3 系統仿真

通過搭建基于動態強色散控制的光保密通信模擬系統，來驗證系統的可行性及系統性能的優劣，并對其進行實際工作方案的數值分析。系統環境要求為準線性區域，信道為SMF，光場的演化可根據快速分步傅里葉法FFT進行數值分析。數據的設定如表1所示。

表1 數據設定

表1中的可調色散補償模塊的色散值范圍是0～1 600 ps/nm。要使每20個比特時隙改變一次色散值，即需要每500 ps就動態調節一次可調色散（補償）模塊的色散值。需要注意的是，在實際的仿真中，色散模塊和色散補償模塊不能被理想化，其模塊會引入光纖的損耗、插損和偏振模色散（PMD）。在專注色散控制效應研究時，這些效應在實際系統中分別可以通過光放大器和PMD補償器件得到較好補償。所以，此假設對于仿真結果的可靠性不會造成實質性影響。

圖2中不同光信號在加密模塊中被光開關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都能夠正常運行，解密端的光開關利用加密時延差進行同步切換。圖3～圖6的仿真結果是由于使用了25-1的偽隨機碼流（PRBS）作為調制光發射器，“111010”序列的波形在系統中的演化可以很明顯確切地看出。這里，對圖中的縱坐標調整為歸一化功率。圖3是進入加密模塊之前的初始信號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為恢復后的波形圖，恢復處理包括實時處理、同步處理和準確地色散補償，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極大，但定時抖動較小，充分反映了準線性傳輸系統的性能特點。由于眼圖比較好，眼圖張開的寬度比較大，可知傳輸比較優質。圖6所示波形圖為選擇的色散補償值較準確時解密后“恢復”的波形，但因將同步補償時間延后50 ps，其插圖表明眼圖的圖形雜亂，系統已經無法正常工作，說明同步補償對于圖形波形的恢復起到了至關重要的作用，尤其在動態強色散控制的情況下。

由圖3～圖6可知，光脈沖在進入加密模塊之前，波形圖是完整的高斯脈沖；經過加密處理，加密輸出后其波形形成類似噪聲的形式，且在系統信道的傳輸過程中（整個60 km）一直持續這種狀態，此時的形狀得不到原來的初始波形，根本無法辨識。因此，重點在與解密模塊的設計。通過解密部分中色散精確補償，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系密切，后者對前者有相當大的貢獻。前者包括“111010”脈沖等的其他相鄰各頻率成分組成；同時，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 動態色散控制下脈沖序列在光纖中的演化

圖5 準確補償后恢復的脈沖波形及眼圖

圖6 未得到同步補償時的波形及眼圖

4 結 語

本文提出了一種基于光開關與多個啁啾光纖光柵組合而成的動態光保密通信方案中的動態色散調諧技術，并且通過仿真驗證了其可行性。仿真結果表明，這種動態色散調諧技術不僅動態調諧范圍大，實時性高，且可以根據需要定制特殊的CFBG，以達到更高的保密性要求。

[1] Lakoba T I,Agrawal G P.Optimization of the Average-Dispersion Range for Long-Haul Dispersion-Managed Soliton Systems[J].Journal of Lightwave Technolo gy,2000,18(11):1504-1512.

[2] Essiambr e R J,Raybon G,Mikkelsen B.Pseudo-Linear Transmission of High-speed TDM Signals[M].New York:Academic Press,2002:232-304.

[3] Andrea D D,Robert I,Killey.Comparison of Nonlinear Pulse Interactions in 160-Gbs Quasi-Linear and Dispersion Managed Soliton Systems[J].Journal of Lightwave Technology,2004,22(05):1263-1271.

[4] Ju Cai,Q iujian Bai,Wenying Ma.Secure Optical Communication System based on Dynamic Strong Dispersion Control[J].Journal of Optical Communication,2012,33(04):285-288.

[5] Liu R H, Trappe W.Securing Wireless Communications at the Physical Layer[M].New York:Springer,2010:1-3.

[6] Shirasak i M.Large Angular Dispersion by a Virtually Imaged Phased Array and Its Application to a Wavelength Demultiplexer[J].Optics Letters,1996,21(05):366-368.

高 瞻（1976—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向為光通信系統；

初 銘（1993—），女，碩士，主要研究方向為光通信系統；

趙雅靜（1993—），女，碩士，主要研究方向為光通信系統；

羅 天（1996—），男，學士，主要研究方向為通信與信息系統；

譚 毅（1980—），男，碩士，講師，主要研究方向為嵌入式系統；

蔡 炬（1970—），男，博士，教授，主要研究方向為光通信系統。

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

四川省教育廳重點項目（No.16ZA0215）；四川省科技支撐計劃項目（No.2013GZ0014）

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