强色散控制光保密通信系统中的动态调谐技术

高 瞻，初 铭，赵雅静，罗 天，谭 毅，蔡 炬

（1.江苏省邮电规划设计院有限责任公司，江苏 南京 210019；2.成都信息工程大学，四川 成都 610225）

强色散控制光保密通信系统中的动态调谐技术

高 瞻1，初 铭2，赵雅静2，罗 天2，谭 毅2，蔡 炬2

（1.江苏省邮电规划设计院有限责任公司，江苏 南京 210019；2.成都信息工程大学，四川 成都 610225）

提出一种动态强色散控制光保密通信方案中的动态调谐技术。首先对基于动态强色散控制的保密通信原理进行阐述，给出系统的结构原理框图，分析加解密模块中的固定色散模块和可调色散模块的工作原理和作用，并着重分析目前可能被用作加解密方案的啁啾光纤光栅+光开关这种动态色散调谐技术方案，然后通过搭建高速保密光通信仿真系统，对由光开关与多个啁啾光纤光栅组合形成的动态加解密模块进行仿真，并对其可行性和系统性能进行验证。

光保密通信系统；强色散控制；动态色散调谐；密钥

0 引 言

色散管理技术在高速光通信系统[1-4]中得到了广泛应用。该技术使系统性能得到有效增强，表现在非线性效应和定时抖动都能明显减少[2-4]。利用这一技术，文献[4]提出了一种全新的动态强色散控制原理的光保密通信方案。它主要是对光信号和密钥通道进行处理。对前者的处理为：只有经过色散展宽的光信号才能在传输系统中传输，同时要想得到原始波形，光脉冲在接收前要得到同步精确补偿；对于后者的处理：通过其对已加密信息进行反馈，并反馈到接收端，这种方法的原理就是通过色散量的动态改变来实现。在光纤通信中，此光保密通信系统的应用已经比较广泛，在自由空间光通信中也可以得到利用。无论是独立应用，还是在其他一些保密技术的基础上加以创新，都能使这种保密通信方案更能发挥保密性能，如在原有编码加密计划中加入其保密方案。在许多对于保密通信有需求的领域如军事、金融、政府等，上述的光保密通信技术若应用其中，必将发挥巨大作用。本文首先简要介绍基于强色散控制的光保密通信系统原理，然后对其最重要的加解密模块的实现方案进行分析，并提出啁啾光纤光栅+光开关动态色散调谐技术方案，然后利用Matlab搭建一个高速准线性强色散控制光保密通信系统，并根据仿真对方案的可行性和系统性能进行验证。

1 系统原理

通常，一个保密通信系统包括信源、加密、信道、解密和信宿五个部分，如图1所示。密钥可以通过密钥通道控制加密部分和解密部分，信息的加密和解密也可以调节事先预定好的规则得到实现。在保密通信系统中，确保信息能在信道中安全传送是保密系统最重要的目的。也就是说，使发送者“Alice”能够与接收者“Bob”安全通信，而窃听者“Eve”难以窃听到所传递的信息内容[5]。

图1 基于动态强色散控制的光保密通信系统结构

基于动态强色散控制的光保密通信系统与通常的准线性传输系统的信源、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块与可调色散模块组成，其色散值DE可高达数百至数千ps/nm，如图1所示。色散模块在加密部分把由信源发射出的光脉冲较大程度地展宽，使脉冲之间发生较大程度的重叠，脉冲序列的波形不能被识别并表现为一种类似于噪声的波形，在得到较精确的补偿后才能被识别。由于传输通道的色散系数均为正值（如标准单模光纤（SMF）在1 550 nm处的色散系数为17 ps/nm/km），所以信道在传输这种类似噪声的行为时，会将信道传输的脉冲进一步展宽和重叠。脉冲序列从传输信道输出，将进入解密部分。固定色散补偿模块和可调色散补偿模块共同组成解密部分，其模块色散值DD与传输 信道中的累积色散值符号相反，大小等于传输信道中的累积色散值与加密部分中色散模块的色散值的和。解密部分的色散补偿使脉冲波形恢复为原来波形，把脉冲发送到信宿进行正常接收。折旧构成了一个完整的保密通信过程。

密钥控制部分由负责产生和发送密钥信息两部分组成。色散补偿值、发送时刻（需考虑密钥通道的传输时延差）和一系列的色散值组成密钥信息。密钥控制就是对脉冲序列的动态色散控制的实现。首先在密钥通道中使可调色散模块和可调色散补偿模块同步接收密钥信息，其次实时、动态并同步地调节色散模块的色散值。

通常，如果在不同时刻对脉冲序列施加了不同的色散值，那么信道中同一脉冲所含的不同频率成分将处与不同位置，且信道中某一确定位置上会出现不同光脉冲的各种频率成分，即脉冲展宽和脉冲之间的重叠，从而较大程度地增大窃听者Eve破解信息的难度。如果发送某段信息使用的所有密钥信息没有被Eve精确复原，那么这段信息就不会被Eve窃取。所以，基于色散控制的保密通信系统的可靠性，通过动态强色散控制技术得到了极大增强。

2 动态调谐技术

基于强色散控制的光保密通信系统实现保密功能的重点在加解密模块上，而加解密模块的关键在可调色散（补偿）模块。因此，如何实现色散值的实时动态变化以及相应的实时精确补偿，成为系统保密功能能否实现的关键。目前，较为成熟的色散补偿技术有色散补偿光纤、啁啾光纤光栅CFBG、虚像相位阵列VIPA[6]、平面光波导PLC、阵列波导光栅AWG等几种。通过从加密性能、实时性、引入插损、复杂度、性价比等多方面比较，本文最终选择了啁啾光纤光栅+光开关动态色散调谐技术方案。

事实上，市场上有一些可调色散值的CFBG销售，但其色散调谐范围仍无法满足强色散控制光保密通信系统中加解密模块中的动态范围需求。因此，本文提出了如图2所示的加解密模块结构方案。此方案采用光开关+CFBG的组合形成加解密模块。加密模块中，光开关1后的标准单模光纤SMF起固定色散模块的作用，其后的啁啾布拉格光纤光栅CFBG为动态色散模块，且不同的CFBG拥有不同的色散量，以扩大色散调谐的动态范围。通过控制单元控制光开关1选择不同的加密通道（即选择不同的CFBG）来实现动态色散调谐的功能。不同加密通道的色散值及时间信息作为密钥信息通过密钥通道，同步传递给解密模块，从而控制光开关2的操作。在此解密模块与加密模块中，CFBG个数和色散补偿量相互对应。

图2 CFBG+光开关的动态加解密模块系统原理

3 系统仿真

通过搭建基于动态强色散控制的光保密通信模拟系统，来验证系统的可行性及系统性能的优劣，并对其进行实际工作方案的数值分析。系统环境要求为准线性区域，信道为SMF，光场的演化可根据快速分步傅里叶法FFT进行数值分析。数据的设定如表1所示。

表1 数据设定

表1中的可调色散补偿模块的色散值范围是0～1 600 ps/nm。要使每20个比特时隙改变一次色散值，即需要每500 ps就动态调节一次可调色散（补偿）模块的色散值。需要注意的是，在实际的仿真中，色散模块和色散补偿模块不能被理想化，其模块会引入光纤的损耗、插损和偏振模色散（PMD）。在专注色散控制效应研究时，这些效应在实际系统中分别可以通过光放大器和PMD补偿器件得到较好补偿。所以，此假设对于仿真结果的可靠性不会造成实质性影响。

图2中不同光信号在加密模块中被光开关1按照控制单元的指令要求输入到加密通道K1～Kn中；在解密模块中，为了匹配每组CFBG都能够正常运行，解密端的光开关利用加密时延差进行同步切换。图3～图6的仿真结果是由于使用了25-1的伪随机码流（PRBS）作为调制光发射器，“111010”序列的波形在系统中的演化可以很明显确切地看出。这里，对图中的纵坐标调整为归一化功率。图3是进入加密模块之前的初始信号的部分初始脉冲序列；加密模块输出，光脉冲展宽成类似噪声的波形，如图4；图5为恢复后的波形图，恢复处理包括实时处理、同步处理和准确地色散补偿，而所示的眼图为完整的脉冲序列眼图，很形象地显示出幅度抖动极大，但定时抖动较小，充分反映了准线性传输系统的性能特点。由于眼图比较好，眼图张开的宽度比较大，可知传输比较优质。图6所示波形图为选择的色散补偿值较准确时解密后“恢复”的波形，但因将同步补偿时间延后50 ps，其插图表明眼图的图形杂乱，系统已经无法正常工作，说明同步补偿对于图形波形的恢复起到了至关重要的作用，尤其在动态强色散控制的情况下。

由图3～图6可知，光脉冲在进入加密模块之前，波形图是完整的高斯脉冲；经过加密处理，加密输出后其波形形成类似噪声的形式，且在系统信道的传输过程中（整个60 km）一直持续这种状态，此时的形状得不到原来的初始波形，根本无法辨识。因此，重点在与解密模块的设计。通过解密部分中色散精确补偿，原本杂乱的脉冲得以精确还原。此外，值得注意的是，由于信道特性的影响，传输中各个脉冲极大程度的展宽和重叠，位于图3～图6中10～15 bit位置的波形与相邻位置的脉冲关系密切，后者对前者有相当大的贡献。前者包括“111010”脉冲等的其他相邻各频率成分组成；同时，前者“111010”脉冲的一些频率成分也位于这段位置之外。

图3 部分初始脉冲序列

图4 动态色散控制下脉冲序列在光纤中的演化

图5 准确补偿后恢复的脉冲波形及眼图

图6 未得到同步补偿时的波形及眼图

4 结 语

本文提出了一种基于光开关与多个啁啾光纤光栅组合而成的动态光保密通信方案中的动态色散调谐技术，并且通过仿真验证了其可行性。仿真结果表明，这种动态色散调谐技术不仅动态调谐范围大，实时性高，且可以根据需要定制特殊的CFBG，以达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，硕士，高级工程师，主要研究方向为光通信系统；

初 铭（1993—），女，硕士，主要研究方向为光通信系统；

赵雅静（1993—），女，硕士，主要研究方向为光通信系统；

罗 天（1996—），男，学士，主要研究方向为通信与信息系统；

谭 毅（1980—），男，硕士，讲师，主要研究方向为嵌入式系统；

蔡 炬（1970—），男，博士，教授，主要研究方向为光通信系统。

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

四川省教育厅重点项目（No.16ZA0215）；四川省科技支撑计划项目（No.2013GZ0014）

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