基于光相位加密的相位调制光信号物理加密方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于光相位加密的相位调制光信号物理加密方法及系统，该方法包括以下步骤：在发送端，将调制了传输信息的相位调制光信号上，加载随时间快速变化的相位加密电信号进行相位加密；在接收端，利用与相位加密信息速率相同、幅度相等且极性相反的相位解密电信号，对被加密过的相位调制光信号进行相位解密，之后再进行解调制。本发明，利用在相位调制光信号上加载随时间快速变化的相位加密电信号进行相位加密，再利用与相位加密信息速率相同、幅度相等且极性相反的相位解密电信号，对被加密过的相位调制光信号进行相位解密，实现了对相位调制光信号物理加密，成本相比于量子光通信和混沌光通信方案大大降低，同时系统可靠性也较高。

权利要求

1.基于光相位加密的相位调制光信号物理加密方法，其特征在于，包括以下步骤：在发送端，在调制了传输信息的相位调制光信号上，加载随时间快速变化的相位加密电信号进行相位加密；

在接收端，利用与相位加密信息速率相同、幅度相等且极性相反的相位解密电信号，对被加密过的相位调制光信号进行相位解密，之后再进行解调制；

相位加密和相位解密过程应满足以下两个条件：

在去除传输链路延时影响后，调制相位加密电信号和调制相位解密电信号的过程必须严格同步，且对光信号相位信息的改变完全抵消；

相位加密电信号随时间的变化速度必须高于该相位调制光信号接收端相位估计算法可能的最高收敛速度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，相位加密电信号的变化方式随机。

3.基于光相位加密的相位调制光信号物理加密系统，其特征在于：

发送端包括光相位调制模块和光相位加密模块，所述光相位调制模块将传输信息调制到相位调制光信号上，所述光相位加密模块在相位调制光信号上加载随时间快速变化的相位加密电信号进行相位加密；

接收端包括光相位解密模块和光相位解调制模块，所述光相位解密模块产生与相位加密信息速率相同、幅度相等且极性相反的相位解密电信号，对被加密过的相位调制光信号进行相位解密，之后通过所述光相位解调制模块进行解调制；

相位加密和相位解密过程应满足以下两个条件：

相位加密电信号随时间的变化速度必须高于对应相位调制光信号接收端的相位估计算法可能的最高收敛速度；

光相位加密模块包括光相位调制器和相位加密电信号产生装置，利用一路系统同步信号输入相位加密电信号产生装置，用来控制相位加密电信号与相位调制光信号的时序关系；光相位解密模块由光相位调制器和相位解密电信号产生装置组成，利用一路系统同步信号输入相位解密电信号产生装置，用来控制相位解密电信号与相位调制光信号的时序关系，其原则为在去除传输链路延时之后，相位解密电信号与发送端的相位加密电信号完全同步。

4.如权利要求3所述的基于光相位加密的相位调制光信号物理加密系统，其特征在于，相位调制光信号的调制格式包括但不限于单载波QPSK、DQPSK、8DPSK、16DPSK、QDPASK、IRZ-DQPSK、IRZ-QDPASK以及相干光OFDM。

说明书

基于光相位加密的相位调制光信号物理加密方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及光通信技术领域，具体涉及基于光相位加密的相位调制光信号物理加密方法及系统。

背景技术

[0002] 现有的光通信系统的保密措施仍采用的是基于电信号处理的流密码加解密技术，由于受到电子“瓶颈”的限制，其加解密速率较低，实验室最高速率仅为2.5Gbit/s。发生突发事件时，现有光通信网络的业务量将可能成几十倍甚至上百倍的剧增，传统的基于电信号处理的加解密技术难以适应超高速和超大容量的业务需求，也无法完全兼容下一代全光通信网络，而基于全光信号处理的加解密技术的速率可以超过100Gbit/s。同时，现有的光纤通信网在光域内对数据光信号没有采取任何的安全处理，光纤信道只负责信号传送，即将比特光码从一个节点透明地传送到下一个节点。另外，我国光纤通信网中的SDH(同步数字体系)和DWDM(密集波分复用)技术体制均来自于国外，其接口协议、性能参数和码流特性等均对外公开，这对于光通信网而言是一个致命的缺陷。

[0003] 随着光纤通信网攻击与窃听技术的迅速发展，直接窃取光纤传输数据、光网络管理系统信息被修改和光网络节点设备被攻击的可能性已经成为现实，光网络随时面临安全威胁，无法保证数据信息的安全。因此，对基于全光信号处理的加解密技术的需求迫在眉睫。

[0004] 目前的光信号物理加密方案主要有以下几种：

[0005] (1)量子光通信，是目前最为安全的物理加密技术，其基本原理是以单光子为基础，在异地产生相同的光子作为密码，用这种单光子作为密码对信息进行加密。由于这是一种物理加密手段，可以在异地随时产生和废除，因此几乎无法被破译。

[0006] 早在1992年，英国电信与美国贝尔实验室就进行了单模光纤上的量子通信实验，信号在1550波段上传输，量子密码载体为1310nm光子，成功传输了数十公里。

[0007] 2013年，麻省理工大学的量子和光通信小组，利用相关量子的纠缠关联性，发展了一种新的量子加密技术，使量子的加密效率大大提高，并使加密的安全性接近量子极限。其实验结果已发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

[0008] 2014年，中科大潘建伟院士团队与中科院上海微系统与信息技术研究所和清华大学合作，结合诱骗态方法和测量器件无关协议，将安全距离突破至200公里，并选取了合肥市量子通信网的3个节点进行了现场验证，创下了新的世界纪录。

[0009] 量子保密光通信的缺点也是显而易见的：首先，量子通信设备的结构复杂，生产和维护成本很高，其中一些器件体积较大难以集成；其次，量子光通信信号不适合在现有已铺设的商用网络上传输；最后，也是最重要的是对于目前已经大量商用的普通光传输信号，量子通信无法做到直接加密。

[0010] (2)混沌光通信，是另一种近年来兴起的物理加密技术，混沌保密通信的基本思想是利用混沌信号作为载波,将传输信号隐藏在混沌载波之中,或者通过符号动力学分析赋予不同的波形以不同的信息序列,在接收端利用混沌的属性或同步特性解调出所传输的信息。因此收发双方的混沌同步是整个系统实现的关键。同步的前提是双方的混沌序列发生器需要有相同的初始值。

[0011] 1994年，Colet P和Roy R在Optics letters上首次提出了混沌光通信的方案[1]。2005年，Argyris等人在雅典借用120公里商用光网络实现了1Gbit/s的混沌保密通信,误码率为10E-7数量级[2]，这是世界上首次在商用网络上实现混沌保密通信。

[0012] 混沌光通信的优点是结构较为简单；信号可以在现有的单模光纤商用网络中传输；且可以在一定保护间隔下与现有的商用光信号进行混和传输。然而混沌光通信技术依然不能实现对现有的商用光信号进行直接加密。

[0013] (3)全光异或加密技术。其原理是利用异或运算的可逆性，先用光秘钥序列对光数据序列进行加密得到密文，之后再利用相同的光秘钥序列对秘文序列进行解密恢复出原始的明文数据序列。

[0014] 早在2002年，Nielsen M L等人就提出了利用SOA-MZI(SOA马赫曾德干涉仪)实现光信号异或加密的方案。该方案结构紧凑、成本低廉，但是响应速度较慢，仅能满足10G以下速率的加密编码。

[0015] 2008年，Jung Y等人又提出了利用SOA的交叉相位调制效应实现对光信号的异或加密，实验中实现了对一个10G NRZ光信号的加密与解密。但同样由于SOA较慢的载流子回复时间，限制了其在高速条件下的性能表现。

[0016] 2009年，Fok.M.P等人利用高非线性光纤(HNLF)的克尔效应实现了光信号的异或加密。由于HNLF的响应速度很快，拥有很高的非线性系数，因此可以获得100Gbit/s以上的加密速率。但是由于其体积大、结构复杂，较难实现商用。

[0017] 当前，骨干光通信网的光传输格式已经由原来的强度调制转向相位调制，以获得更高的传输性能。因此，骨干光网络急需一种结构简单，可直接适用于商用网络调制格式的光物理加密方法。

发明内容

[0018] 本发明所要解决的技术问题是如何提供一种结构简单，可直接适用于商用网络调制格式的光物理加密方式的问题。

[0019] 为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种基于信息熵度量的深度包检测设备异常流量监控方法，包括以下步骤：

[0020] 在发送端，将调制了传输信息的相位调制光信号上，加载随时间快速变化的相位加密电信号进行相位加密；

[0021] 在接收端，利用与相位加密信息速率相同、幅度相等且极性相反的相位解密电信号，对被加密过的相位调制光信号进行相位解密，之后再进行解调制。

[0022] 在上述方法中，去除传输链路延时影响后，相位加密电信号和相位解密电信号严格同步。

[0023] 在上述方法中，相位加密电信号随时间的变化速度必须高于对应相位调制光信号接收端的相位估计算法可能的最高收敛速度。

[0024] 在上述方法中，相位加密电信号的变化方式随机。

[0025] 本发明还提供了一种基于光相位加密的相位调制光信号物理加密系统，[0026] 发送端包括光相位调制模块和光相位加密模块，所述光相位调制模块将传输信息调制到相位调制光信号上，所述光相位加密模块在相位调制光信号上加载随时间快速变化的相位加密电信号进行相位加密；

[0027] 接收端包括光相位解密模块和光相位解调制模块，所述光相位解密模块产生与相位加密信息速率相同、幅度相等且极性相反的相位解密电信号，对被加密过的相位调制光信号进行相位解密，之后通过所述光相位解调制模块进行解调制。

[0028] 在上述基于光相位加密的相位调制光信号物理加密系统中，相位调制光信号的调制格式包括但不限于单载波QPSK、DQPSK、8DPSK、16DPSK、QDPASK、IRZ-DQPSK、IRZ-QDPASK以及相干光OFDM。

[0029] 在上述基于光相位加密的相位调制光信号物理加密系统中，利用一路系统同步信号控制所述相位加密电信号和所述相位解密电信号与相位调制光信号的时序关系。

[0030] 在上述基于光相位加密的相位调制光信号物理加密系统中，去除传输链路延时影响后，相位加密电信号和相位解密电信号严格同步。

[0031] 本发明，利用在相位调制光信号上加载随时间快速变化的相位加密电信号进行相位加密，再利用与相位加密信息速率相同、幅度相等且极性相反的相位解密电信号，对被加密过的相位调制光信号进行相位解密，实现了对相位调制光信号物理加密，成本相比于量子光通信和混沌光通信方案大大降低，同时系统可靠性也较高。

附图说明

[0032] 图1为本发明提供的基于光相位加密的相位调制光信号物理加密系统示意图；

[0033] 图2为本发明中光相位加密模块的示意图；

[0034] 图3为本发明中光相位解密模块的示意图。

具体实施方式

[0035] 本发明提供了一种基于光相位加密的相位调制光信号物理加密方法，加密信息可以随着实际需要对加密复杂度进行调整，可以方便的兼容各种相位调制光信号，包括单载波QPSK、相干光OFDM等，且成本低、可靠性高。下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做出详细的说明。

[0036] 如图1所示，本发明提供的基于光相位加密的相位调制光信号物理加密系统包括光相位调制模块10、光相位加密模块20、光传输链路30、光相位解密模块40以及光相位解调制模块50。

[0037] 光相位调制模块10包括窄线宽光源11、光I/Q调制器12和调制电信号产生装置13。窄线宽光源11输入到光I/Q调制器12产生光载波，同时，要传输的串行数据(即传输信息)送入调制电信号产生装置13，产生I/Q调制电信号(两路并行二进制数据)，并输入光I/Q调制器12，由此将传输信息调制到光载波上，调制格式为单载波QPSK、DQPSK、8DPSK、16DPSK、QDPASK、IRZ-DQPSK、IRZ-QDPASK以及相干光OFDM等。

[0038] 如图1、图2所示，光相位加密模块20包括光相位调制器21和相位加密电信号产生装置22，调制了传输信息的光载波输入光相位调制器21，相位加密电信号产生装置22产生一组随时间变化的二进制数字信号S作为相位加密电信号，相位加密电信号随时间的变化速度必须高于对应相位调制光信号接收端的相位估计算法可能的最高收敛速度，相位加密电信号通过相位调制器调制到已经调制了单载波QPSK信号的光载波上，实现了对单载波QPSK光信号的相位加密。同时，利用一路系统同步信号输入相位加密电信号产生装置，用来控制相位加密电信号与单载波QPSK光信号的时序关系。

[0039] 如图1、图3所示，光相位解密模块40由光相位调制器41和相位解密电信号产生装置42组成。相位加密后的光信号通过光传输链路30传输到光相位调制器41，相位解密电信号产生装置42产生一组与发射端的相位加密电信号速率相同、幅度相等且极性相反的二进制数字信号 作为相位解密电信号，通过相位调制器41(与相位加密模块中的相位调制器参数完全一致)调制到已经加密了的单载波QPSK信号的光载波上，对光信号进行解密。同时，利用一路系统同步信号输入相位解密电信号产生装置42，用来控制相位解密电信号与光信号的时序关系，其原则为在去除传输链路延时之后，相位解密电信号与发端的相位加密电信号完全同步。

[0040] 光相位解调制模块50包括相干接收机51、数字信号处理单元52和本地振荡光源53。光相位解调制模块50采用相干检测方式，将解密后的单载波QPSK光信号与本地振荡光源(LO光源)共同输入相干接收机51进行拍频，得到I路和Q路的电信号，在送入数字信号处理单元52进行频偏估计、相位估计、信道估计等一些列单载波QPSK信号的数据恢复算法，最终恢复出与发送端想要传输的串行数据相同的电信号。

[0041] 本发明提供的基于光相位加密的相位调制光信号物理加密方法，包括以下步骤：

[0042] 在发送端，将调制了传输信息的相位调制光信号上，加载随时间快速变化的相位加密电信号进行相位加密；

[0043] 在接收端，利用与相位加密信息速率相同、幅度相等且极性相反的相位解密电信号，对被加密过的相位调制光信号进行相位解密，之后再进行解调制。

[0044] 相位加密和相位解密过程应满足以下两个条件：

[0045] (1)在去除传输链路延时影响后，调制相位加密电信号和调制相位解密电信号的过程必须严格同步，且对光信号相位信息的改变完全抵消，从而保证相位调制光信号能够正确的被解密接收；

[0046] (2)相位加密电信号随时间的变化速度必须高于该相位调制光信号接收端相位估计算法可能的最高收敛速度，从而保证加密的成功。

[0047] 本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。