基于DPSK調制的光學物理層網絡編碼安全研究

陳佳龍，蔡茂國，陳 寧

(深圳大學信息工程學院，廣東 深圳 518061)

1 引言

隨著網絡通信量的高速增長，人們一直在努力增加光纖的通信容量。一般使用兩種方法，第一種是增加每個復用維數的信道數，例如，增加每個單位時間內的波長信道數或縮短符號周期。第二種是提高光譜效率，這包括同時使用多個復用技術[1]，比如時分、波分、外加偏振分復用[2]，使用先進的調制技術[3]等。到目前為止，多路復用技術中的所有可能的維數幾乎都已被利用，光信道中的非線性效應加上香農極限等因素決定了光纖的容量[4]，所以需要利用創新的技術來進一步提高網絡的效率和安全性能。網絡編碼(NC)應運而生。NC給網絡帶來的良好的魯棒性[5]和安全性[6]的潛力引起了人們的關注，自NC提出起，就被探索和開發多種應用。特別是Mr.zhang提出的物理層網絡編碼(PNC)[7]可以顯著地提高網絡的吞吐量。

近年來，越來越多人將PNC技術應用在光纖通信中[8-12]。文獻[9-10]中利用半導體光纖放大器(SOA)的非線性效應作為全光異或門在物理層實現網絡編碼。文獻[9]中將兩路信號在中繼處耦合之后，分別解出兩路信號進行處理，雖然是在光學物理層進行的操作，但是這還是屬于傳統的網絡編碼的范疇，并不是嚴格意義上的物理層網絡編碼。文獻[12]中將PNC應用到波分復用中，想利用光波的功率和波形疊加在光信道中實現PNC，這樣做需要使用多個波長，占用了信道資源，并且可以使用可調諧波長濾波器進行濾波，使得信道安全性也得不到保障。本文的方案通過將兩個調制后相位不同的信號在物理層耦合在一起，并在中繼處將耦合信號進行解調、相干檢測得到異或數字信號，這是真正的光學PNC，因為這兩個光信號具有相同的波長。換句話說，就是在網絡編碼之后，兩個兩個信號分量占據同一個信道，不能用傳統的解復用方法進行分離。因此，可以充分利用波長資源，而且耦合處理后的信號為兩個信號的異或形式，用傳統的解復用方式完全無效。

2 物理層網絡編碼

物理層網絡編碼通常用來研究衰落信道下三點雙向中繼網絡，如圖1(a)所示，用戶A和用戶B需要通過中繼來傳遞信息，當用戶A與用戶B同時通信的時候，用戶A傳遞信息給中繼為time1，中繼將信息傳給用戶B為time2，用戶B將信息傳給中繼為time3，中繼將信息傳給用戶A為time4，兩個用戶之間傳遞信息需要四個時隙。而如圖1(b)所示，用戶A和用戶B可以同時向中繼傳遞信息為time1，在中繼處將兩個用戶信息耦合在一起，處理成兩個用戶信息的異或形式，再將處理后的信息直接分發給兩個用戶為time2，每個用戶都可以利用自己發送的信息與接收的信息進行抵消，就可以得到另一個用戶的信息。這樣的話，兩個用戶之間信息傳遞只需要兩個時隙，吞吐量增加了1倍。

圖1 信息交換方式

圖2 是兩個用戶在同步和異步兩個情況下對信息的編解碼操作。如圖2(a)所示，用戶A和用戶B將將傳遞的信息進行調制后同時傳遞給中繼，中繼將兩路信息耦合后進行異或編碼，并將編碼后的信息分發給用戶，兩個用戶將接收到的信息與自己發送的信息再次進行異或編碼就可以另一個用戶的信息。考慮到兩個用戶可能與中繼的距離不相等，所以存在異步信息編碼問題。如圖2(b)所示，△t是用戶A和用戶B之間的脈沖時間偏差，當用戶B與用戶A存在比特偏移的時候，經過兩次異或編碼操作后，兩個用戶仍能恢復得到正確的信息。沒有任何誤差，說明了物理層網絡編碼在異或情況下仍能得到不錯的性能。

圖2 兩用戶在兩種情況下信息編解碼操作

3 光物理層網絡編碼系統分析

本實驗是利用Optisystem 7.0為平臺做的仿真設計，如圖3為本文提出的基于DPSK調制的物理層網絡編碼的結構圖。

(1)

代入光場強和功率的公式可得RZ的時鐘信號的光場和功率為

(2)

(3)

其中Ein1(t)=|E0|ejωct+φ1。

第二級調制器的偏置電壓Vbias=Vπ，數據信號峰值電壓設置為2Vπ，則第二級驅動電壓為

(4)

代入光場強和功率的公式可得占空比為33%的RZ-DPSK為

圖3 基于DPSK調制的光物理層網絡編碼系統

(5)

(6)

當數據信號為0時，光場取負號，當數據信號為1時，光場取正號。設置占空比為66%的CSRZ-DPSK的信號和33%的DPSK信號參數大多一致，只是第一級調制器的偏置條件不同，需要第一級調制器的偏置電壓Vbias=Vπ，第一級調制器的驅動電壓為

(7)

代入光場強和功率的公式可得CSRZ的時鐘信號的光場和功率為

(8)

(9)

其中Ein2(t)=|E0|ejωct+φ2

第二級調制器的偏置電壓Vbias=Vπ，數據信號峰值電壓設置為2Vπ，第二級驅動電壓與33%的RZ-DPSK的驅動電壓相同。代入光場強和功率的公式可得占空比為66%的CSRZ-DPSK為

(10)

(11)

當數據信號為0時，光場取負號，當數據信號為1時，光場取正號。兩路信號調制后經過100km的單模光纖的傳輸到達中繼，在中繼區域將兩路信號進行耦合，耦合后的信號為S(t)。混合信號的光場強和功率的公式為

(12)

(13)

因為調制后的兩路信號相位不同，使得耦合后的信號相位會發生相應的改變，但強度基本不會發生改變，即在光時域上的波形基本不會發生變化。耦合后的信號S(t)經過100km的單模光纖分別傳輸給用戶A和用戶B，在接收端利用DPSK相位差分相干解調將差分相位信號轉化為幅度信號。本文中是利用邁克爾遜干涉儀將輸入光束分為兩束，然后通過可控制時延τ使兩束光重新組合。邁克爾遜干涉儀就是由兩個Y型耦合器組成，主要分為三部分，即輸入、輸出和耦合區。

(14)

一般令Ein2=0，由于輸入與輸出組成相同，則傳遞函數為

H(f)=Hcoupler(f)HτHcoupler(f)

(15)

其中

(16)

其中a是輸入和輸出的分光比，通常為0.5。

(17)

(18)

然后再將其與自身發送的信息進行異或編碼，就可以得到對方發送的正確信息，不失一般性，若以A用戶為例，A用戶最終接收的信息為

xa(n)⊕xb(n)⊕xa(n)=xb(n)

(19)

4 仿真結果與分析

4.1 同步操作

圖4所示的是用戶A、B兩個用戶在同步編解碼的情況下不同傳輸速率的實驗結果。圖4(a)(h)和(b)(i)所示分別為用戶A與用戶B的傳輸信息比特，圖4(c)(j)為兩個用戶信息的比特異或流，兩個用戶信息比特只要在不同的時候，才會為邏輯“1”，在相同的時候為邏輯“0”。圖4(d)由于傳輸速率較小，為傳輸速率1Gb/s時的混合信號圖，光纖傳輸中損耗并不大，從波形上看只有一些噪聲影響，但是圖4(k)由于傳輸速率增加到3Gb/s，光信號在光纖傳輸過程中的色散和損耗的增加，波形并沒有圖4(d)的好。圖4 (e)(l)信號在中繼處混合信號的相位圖，圖中以向下凹的波形為邏輯“0”，相位為π，以向上凸的波形為邏輯“1”，相位為0。圖4 (f)為混合信號在中繼進行DPSK解碼后的波形圖，由于傳輸速率為1Gb/s，且為同步編解碼，信道也沒有受到很大的干擾，所以波形圖看起來效果很好。圖4(g)為傳輸速率為1Gb/s下解碼后的眼圖，可以看出眼圖展開明顯，效果很好。前面提到由于傳輸速率的提高到3Gb/s，中繼處兩路混合后信號波形圖4(k)并不夠好，但是從解碼后的示波器顯示的波形圖4(m)來看，效果并沒有受到很大的影響，從眼圖圖4(n)就可以看出，雖然展開效果不如圖4(g)，但是依舊展開效果良好，說明了該系統在高速率傳輸情況下仍具有不錯的性能。

圖4 不同傳輸速率下的實驗結果

圖5為系統在不同的傳輸速率下，中繼處解碼后的誤碼率在不同光源功率下的變化圖像。由圖可以看出，不管是在1Gb/s還是3Gb/s的傳輸速率下，誤碼率都是隨著光源功率的增大而減少，而且減少的速率越來越快。更顯而易見的是，在3Gb/s的傳輸速率下的誤碼率遠比傳輸速率在1Gb/s下的要高得多，同樣在1×10-8的誤碼率時，3Gb/s的傳輸速率要比1Gb/s所需光源的功率要高出8dBm左右，可以看出在整個系統中，3Gb/s的傳輸速率下的功率損耗要比1Gb/s高得多。

圖5 不同傳輸速率下的誤碼率

4.2 異步操作

由于兩個用戶與中繼距離的不同，使得在中繼處兩個信號混合時存在著異步的情況。圖6為兩個用戶在延時比特分別為0.25bit和0.5bit的異步情況下傳輸速率為1Gb/s的實驗結果。圖6(a)和(h)為用戶A的信息比特流，(b)與(i)為用戶B的信息比特流，(c)與(j)為兩個用戶信息的異或比特流。圖6(d)(k)與(e)(f)分別為0.25bit時延和0.5bit時延的混合信號波形圖與相位圖，由于延時比特的增加，可以看出混合信號的噪聲越來越大，但是如圖6(f)與(m)所示，經過DPSK解調之后，依舊能夠得到正確的異或信息波形。由圖6(g)和(n)的解碼后的眼圖可以看出，眼圖展開情況很好，說明了OPNC在異步情況下仍然有很好的性能。

圖6 傳輸速率1Gb/s時兩個用戶不同時間偏移量下的異步實驗結果

與上文相似，圖7為兩個用戶在延時比特分別為0.25bit和0.35bit的異步情況下輸速率為1Gb/s的實驗結果。圖7(a)和(h)為用戶A的信息比特流，(b)與(i)為用戶B的信息比特流，(c)與(j)為兩個用戶信息的異或比特流。圖7(d)(k)與(e)(f)分別為0.25bit時延和0.5bit時延的混合信號波形圖與相位圖，與傳輸速率1Gb/s的相比，由于傳輸速率的增加，噪聲明顯增加，中繼處混合后的波形也變得不規則，但是從經過解碼、濾波之后得到的波形圖圖7(f)與(m)可以看出，盡管經過高速率的傳輸與延時異步的影響，系統仍能解碼得到正確的異或波形。從圖7(g)與(n)可以看出，眼圖隨著延時的增加，展開情況越來越差，但是仍有不錯的展開效果，說明了OPNC在高速率的異步情況下也能達到不錯的效果。

圖7 傳輸速率3Gb/s時兩個用戶不同時間偏移量下的異步實驗結果

圖8為傳輸速率為1Gb/s時不同bit延遲下的誤碼率。根據圖8可以看出，隨著光源功率的增加，誤碼率不斷的減少，這和同步操作時候的結果一樣。但不同的是，可以看出隨著bit延遲的增加，相同的誤碼率，需要的光源能量越來越大，由圖中可以看出，在誤碼率同為1×10-8時，同步操作和延遲0.1bit所需的光源功率相差無幾，但是比延遲0.2bit和0.25bit所需的光源功率分別要低0.4dBm和1.5dBm，延遲達到0.5bit時，光源所需功率大大增加，在誤碼率同為10-8時，比延遲0.25bit所需功率增加了5.7dBm。從誤碼率曲線的彎曲程度可以看出，bit延遲越大，曲線斜率越小，到0.5bit延遲時，誤碼率曲線會一直減小到一個定值。

圖8 傳輸速率1Gb/s時不同bit延遲下的誤碼率

和傳輸速率1Gb/s的誤碼率結果相比，圖9可以看出，兩者結果都有相似的結論。隨著光源功率的增加，誤碼率越來越小。誤碼率曲線的斜率隨著bit延遲的增加而減小，達到0.5bit延遲時，誤碼率曲線斜率在1×10-7處幾乎已經趨近于0，誤碼率不再隨著光源功率的增加而繼續減少。不同的是，傳輸速率為3Gb/s的情況下，隨著bit延遲的增加，在誤碼率同為1×10-8時，同步操作需要的光源功率比0.1bit延遲要低0.6dBm，比0.2bit延遲和0.25bit分別低2dBm和3.5dBm，說明了3Gb/s的傳輸速率下延遲bit的功率損耗要比1Gb/s高得多。

圖9 傳輸速率3Gb/s時不同bit延遲下的誤碼率

5 總結

本文提出了一種基于DPSK信號的共通道光物理層網絡安全編碼方案，方案采用兩個DPSK信號在中繼處耦合實現物理層網絡編碼。不需要符號級的時域同步，允許一定的比特時延，增加了系統的容錯率和穩定性。物理層網絡編碼信號中的兩個信號分量占用同一信道，不能用傳統的解復用方法進行分離，增加了中繼到用戶之間的傳輸鏈路的安全性。