光正交频分复用接入网基于数字混沌的保密传输技术研究

With the importance of high-speed optical fiber networks, the security issues of the large-capacity optical information become increasingly urgent and challenging. Encryption technologies based on chaos in optical physical layer have the advantages of wide bandwidth, complex dynamics and very sensitive to the initial values, so it can provide high security for the optical data during transmission. Moreover, compared with the quantum encryption technique, chaotic encryption technology has the additional advantages in high data rate. Digital chaos is flexible and not constrained by opto-electrical devices, and easier to be implemented. The project aims to investigate the secure optical transmission technologies by implementing the multi-dimensional digital hyper-chaos to improve high security in optical physical layer, due to the fact of that a huge key space can be created. In view of the wide application of the frequency division multiplexing passive optical networks (OFDM-PONs), the project will focus on the development of the secure transmission technologies for optical OFDM-PONs, where chaotic digital signal processing (DSP) will be performed with the optical OFDM signals at the transceiver. Furthermore, after ensuring the high security in optical OFDM-PONs, the schemes of chaotic encryption will be optimized to improve the transmission performance. All of the secure schemes will be demonstrated experimentally.

随着光纤通信网络的高速率、大容量以及重要性的不断提升，客观上对大容量的光信息安全传输要求日益紧迫。基于混沌的光物理层加密技术，具有宽带宽、复杂动力学、对初始参数极为敏感等混沌特征，适用于对高速、大容量的光纤通信系统进行安全加密。相对于量子保密通信等其他加密技术，在传输速率上具有优势，易于在光纤通信系统中应用。而数字混沌具有灵活多变、不受光电器件制约的特点。本项目拟研究采用多维数字超混沌产生巨大秘钥空间，通过在光物理层的加密技术确保光信息的安全保密传输。针对广泛研究的高速光频分复用接入网（OFDM-PON）系统，重点研究基于数字混沌与光OFDM信号相结合的安全传输技术。进一步在确保光OFDM信号传输的高安全性同时，探索基于数字混沌的优化加密技术方案，改善光信号的传输性能，并进行系统的实验验证。

随着信息网络的高速发展，光网络信息的安全性传输重要性日益增强。光正交频分复用（OFDM）信号调制技术已成为了下一代高速光纤通信系统最具前景的技术之一。由于光OFDM的产生需要采用许多数字信号处理，光OFDM便于与数字混沌安全技术天然相结合。本项目侧重研究基于数字混沌在光OFDM保密通信系统中的应用。.根据本项目任务书的研究目标与预期结果，我们完成了数字混沌序列的理论模型、数值仿真和参数优化。提出并优化数字混沌用于光OFDM-PON系统的关键技术方案，实验演示数字混沌在单波长10Gb/s高速光OFDM-PON系统的多种保密传输技术，综合评价系统高安全性及其传输性能。.在各项关键技术上取得的突破性、创新性成果概括如下：.第一，研究了有效改善光OFDM信号的传输性能的保密传输技术。该类技术包括：1). 基于选择性映射或者部分传输序列的数字混沌加密技术；2). 基于矩阵预处理的混沌加密技术；3). 基于星座图扩展或者QAM扰乱的新型混沌加密技术。.第二，研究了进一步有效增强安全性的保密通信技术, 完成了能对抗选择明文攻击的混沌加密技术突破。.第三，提出了光物理层内生的密码产生与分发技术，我们首次提出并论证了以下的基于光物理层光信号特征参数中内在的（内生的）动态属性，产生并分发密钥，这些密钥可以作为混沌初始值，这样，混沌初始值就产生了动态更新。.第四，完成了实时光OFDM保密通信系统的搭建。.总之，本项目针对基于数字混沌的光OFDM-PON保密传输系统，探索了多项关键保密实现技术，完成了该项技术的高速（10G）实验验证。本项目的研究成果显示，项目组已经超额完成了项目任务书上要求的研究预期目标。项目执行期间，共发表了SCI/EI论文39篇，其中发表包括于著名国际期刊IEEE-ACCESS、IEEE-PTL，IEEE-JLT以及OSA-Optics Express等在内的SCI论文23篇，EI/ISTP收录论文16篇。另外，已授权的中国发明专利1项，出版了英文专著1章，本项目的研究成果在国际学术会议作特邀报告共计5次。另外，培养研究生共8名。