高速光通信系统中高频谱效率的物理层加密理论与算法研究

With the continuous development of the communications business,in facing of the increasingly demanding communication access bandwidth and capacity requirements ,optical communication network has become an important part of a new generation of trusted network structure. This project proposed encryption fusion technology for high rate optical communication systems in the physical layer, using advanced DSP technology to overcome optical fiber damage in the optical channel, while improving the transmission capacity of the medium to achieve the physical layer encryption in CO-OFDM and Nyquist-WDM high speed optical communication system. Based on the existing works, study the theory of the encryption method suitable for CO-OFDM and Nyquist-WDM signals and analyze the error propagation factors impact on system throughput and provides the design methods of system parameters. From the eavesdropper's angle, this project proposed the analysis of the joint linear password for channel decoding and high-dimension chaotic encryption methods , carrying out stable and reliable high speed optical communication system. Based on physical layer encryption. Providing secure transmission environment and theoretical experimental basis have important scientific significance and practical value for development of long-distance coherent optical communication and Nyquist wavelength division multiplexing system.

随着通信业务的不断发展,对通信接入带宽与容量需求不断提高，光通信网络已经成为新一代可信网络结构中的重要组成部分。本项目提出高速率光通信系统与物理层加密融合技术，以先进的DSP技术克服光信道损伤，在提升光纤介质传输容量的同时实现对CO-OFDM和Nyquist-WDM高速光通信系统实现物理层加密。将在已有工作基础上，研究适用于CO-OFDM和Nyquist-WDM信号的分组加密方式理论，分析误码扩散因素对系统吞吐率的影响，并给出系统参数的设计方法。从窃听者角度提出针对信道解码和高维混沌加密的联合线性密码分析方法，开展基于物理层加密的稳定、可靠的高速光通信系统研究。为发展中的长距离相干光通信与Nyquist波分复用系统的物理层安全传输提供理论和实验依据，具有重要的科学意义和实用价值。

随着带宽服务的日益增长，无源光网络正交频分复用(OFDM-PON)系统是满足下一代网络需求的候选之一。然而，由于其系统结构特性，数据的传输容易被违法用户窃听，OFDM-PON系统的大规模数据安全传输成为一个亟待解决的重要问题。本项目基于这些问题，将混沌加密技术融入OFDM-PON系统中，针对系统的物理层进行加密处理。利用混沌系统的自相似性、内在随机性、对初值的敏感性等特点，对数据进行加密处理，提高其安全性。本文的主要研究工作以及取得的研究成果主要为以下几个部分：. 第一、针对OFDM-PON系统的安全性和高PAPR特点，提出了基于多混沌的时频混合域加密方案，并采用了选择映射(SLM)技术来降低信号的PAPR。阐述了多混沌相比于单混沌的区别与优势，分析了时频混合域加密系统的特点与功能。采用了简单易于实现的选择映射技术来降低OFDM信号的PAPR值，实验结果验证了本方案能很好地提高OFDM-PON系统安全性能。. 第二、提出了一种基于混沌预编码系统，针对OFDM-PON系统的物理层安全的加密方案。OFDM信号设计方案中，使用Henon混沌映射产生的密钥序列控制哈达马矩阵行-列索引进行矩阵变换，在不改变矩阵正交性的基础上实现对OFDM信号的加密。该加密算法具备较大的密钥空间(~10178)，提高了系统的加密性能。实验结果表明实验方案能有效的抵御光网络单元中非法用户的窃听。. 第三、提出了一种基于环形幅度-相位键控调制格式的符号间差分检测的SFO补偿算法。主要提出了适合光DD-OFDM系统的DSP技术，对基于符号间差分编码-检测的采样频偏补偿、边带相位补偿与环形幅度-相位键控调制格式的调制-解调方法分别进行了较为详细的理论、数值仿真与实验研究。. 第四、提出了一种集中于光链路终端实现SFO预补偿的方案。一方面，通过相位旋转调制将SFO引入的相位旋转进行有效的纠正；另一方面自适应OFDM帧调制能有效避免SFO引入的ISI。相较于传统点对点的实验验证，本方案实现点对多点的实验验证。4路ONU中接收OFDM信号具备良好、稳定的信噪比与误码性，这也验证了算法的有效性与提出方案潜在应用价值。