基于FRFT的DFMA-PON光信号安全性增强系统

技术领域

本发明属于光通信加密技术领域，涉及一种基于FRFT的DFMA-PON光信号安全性增强系统。

背景技术

数字滤波多址接入无源光网络(Digital Filtering Multiple Access，DFMA-PON)，带宽分配灵活简单、具有良好的兼容性、成本低等优点，很可能适用于5G前传的解决方案之一。然而DFMA-PON系统存在着巨大的安全威胁，比如在下行方向上以广播形式向所有用户发送信息的过程中存在光纤和分束器被窃听干扰的危险等，尽管目前存在很多的密码学信息加密技术，但是窃听方能够利用被窃听的光信号完全恢复出加密数据，并且随着量子计算机的发展，使得数据被暴力破解可能性大大提高，因此，亟需一种性能强大的DFMA-PON物理层加密方法提升DFMA-PON的安全性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于FRFT的DFMA-PON光信号安全性增强系统，

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于FRFT的DFMA-PON光信号安全性增强系统，包括光信号发送端、光纤信道和光接收端；所述光信号发送端包括：DFMA-TX模块、马赫增德尔调制器(Mach ZehnderModulator，MZM)、FRFT模块；所述光接收端包括依次连接的IFRFT模块、掺铒光纤放大器(Erbium-doped Optical Fiber Amplifier，EDFA)、DFMA-RX模块；

所述DFMA-TX模块包括：信号生成模块、上采样模块、数字正交成型滤波器(Shaping Filter，SF)、数模转换器(Digital to Analog Converter，DAC)；

所述DFMA-RX模块包括光电探测器、模数转换器(ADC)、数字正交匹配滤波器(Matching Filter，MF)、下采样模块和接收端信号处理；

其中，SF滤波器对和数字正交匹配滤波器MF滤波器是基于希尔伯特变换对(Hilbert pair)构造的正交滤波器对，用以保证严格正交，包含两种数字滤波器类型，分别为同相滤波器和正交滤波器；

所述FRFT模块和IFRFT模块是利用相位调制模块+色散介质+相位调制模块实现的；

在光信号发送端，每个子信道中首先对原始数据进行编码调制，随后进行在相邻的数据样本之间插入M-1个零的操作，实现对调制信号的M倍上采样，再进行数字正交成型滤波；最后在数字域进行相加后通过数模转换器，输出信号进行电光变换单元调制到光载波上传输，光信号再进入FRFT完成时频域的扰乱；在光接收端进行上述逆操作，经过IFRFT模块后，对接收到信号进行对应的数字正交匹配滤波，并对每M个数据样点取1个值来进行对应的下采样，最后解编码调制；

上述编码调制和解码调制过程中，需对滤波输出信号的开始截取位置进行处理，以及对数字滤波器相位处理。

进一步，对滤波输出信号的开始截取位置进行处理，具体包括：在成型滤波器和匹配滤波器按照截断处理机制预先设定好开始截取的位置，同时采用Y-00加密协议对原始比特数据和数字滤波器进行高阶映射加密处理。

进一步，基于Y-00加密协议的高阶映射加密处理，具体包括：采用的线性移位寄存器作为Y-00加密中的密钥扩展方式，即将生成的长密钥流和原始明文序列均等分为N组，按照以下公式的加密函数生成密文信号；再将生成的密文信号用作DFMA-PON系统中的发送端传输数据进行后续操作；

其中，D为四进制明文数据，E为生成的密文，Pol(B)是根据密钥基B的奇偶性取不同的值，密钥基为奇数，取值为1，反之则为0。

进一步，对数字滤波器相位处理，即数字滤波器随机相位满足：

其中，

进一步，将光强度调制后的信号经过FRFT模块，其由三部分来实现的，即令输入信号与一个线性啁啾信号相乘来实现平方相位调制，再将调制后的信号与另一个与时间二次方成正比的相位因子做卷积，最后将上一步的输出信号再次与第一种中完全相同的二次相位项做叠加，完成两次啁啾相位调制，实现输入光信号的分数阶傅里叶变换，通过FRFT可调节的参量p控制信号的时频域混乱程度。

本发明的有益效果在于：本发明利用Y-00协议和新设计的滤波器参数完成对源信号和数字滤波器的多维加密，再将光信号进行FRFT处理，不仅在一定程度上增强了整个系统的安全性，可以抵抗窃听方恶意窃取，并且没有过多增加原有系统DSP的复杂性，系统也不需要额外引入一些大的代价，具体体现在以下几方面：

1)本发明利用Y-00协议中密钥在“加密轮”中按照特定的规则映射时，对原数据进行不同移位角度的加密映射而产生的角度序列，设计了可用于数字正交滤波器的随机相位，对DFMA-PON系统的数字滤波器进行第一层加密。

2)本发明利用Y-00加密协议针对源信号进行加密，对传输数据映射的星座图进行多极化基加密，可以很好的将原数据隐藏在一个被噪声影响的高阶星座图中，对DFMA-PON系统的源信号进行第二层加密。与数字混沌加密技术相比，在Y-00加密协议的作用下，整个加密的电信号处理复杂度相对较低，对于拥有较多ONU单元的DFMA系统来说，成本较低。

3)与传统DFMA-PON相比，本发明设计了一个新的数字滤波器参数(虽然该参数的设计增强了系统的安全性的同时也引入了更多的码间串扰项，因为无码间串扰函数的设计，增加的串扰项并不会对整个系统造成大的干扰，所以可以利用该参数来实现DFMA-PON系统的数字滤波器的安全性增强)——滤波输出信号的开始截取位置，在成型滤波器和匹配滤波器按照一定的规则预先设定好开始截取的位置，对DFMA-PON系统的数字滤波器进行第三层加密。

4)与传统的DFMA-PON相比，本发明设计了一个光域变换模块，FRFT能同时展示信号在时域和频域的部分信息，同时将变换阶次p作为系统的加密参数，可以在物理层实现复杂的光信号扰乱。对DFMA-PON系统的数字滤波器进行第四层加密。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明的基于光学分数阶傅里叶变换的DFMA-PON系统结构图；

图2为本发明的基于时间透镜的分数阶傅里叶变换光学实现结构；

图3为本发明电信号频谱；图3(a)为发送端电谱；图3(b)为接收端电谱；

图4为本发明调制后信号输出光谱；图4(a)为分数阶傅里叶变换前；图4(b)为分数阶傅里叶变换后；

图5为本发明系统在有无光学分数阶傅里叶变换情况下的误码率曲线。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图5，如图1所示，本发明设计的DFMA-PON系统主要包括DFMA-TX模块(信号生成、上采样、SF滤波器、数模转换器(DAC))、马赫增德尔调制器(MZM)、FRFT模块、光纤信道、EDFA、DFMA-RX模块(光电探测器、模数转换器(ADC)、数字正交匹配滤波器(MF)、下采样和接收端信号处理)。其中，SF滤波器对和MF滤波器对是基于希尔伯特变换对(Hilbertpair)构造的正交滤波器对，用以保证严格正交，包含两种数字滤波器类型，分别为同相滤波器和正交滤波器。

在发送端，每个子信道中首先对原始数据进行编码调制，随后进行在相邻的数据样本之间插入M-1个零的操作，实现对调制信号的M倍上采样，再进行成型滤波。最后在数字域进行相加后通过数模转换器(DAC)，输出信号进行电光变换单元(如MZM)调制到光载波上传输；接收端进行上述逆操作，对接收到信号进行对应的匹配滤波，并对每M个数据样点取1个值来进行对应的下采样，最后解编码调制。

传统的DFMA-PON系统所采用的滤波器的初相为零，系统存在非法接收方从频谱图中预估到中心频率并猜测出所有的滤波器的风险。如果对发送端的数字滤波器引入一个随机相位，接收端则需要在保证滤波器的类型和中心频率与发送端滤波器匹配的基础上，还要保证满足二者的相位匹配才可以正确滤波，从而提高了系统的安全性。系统满足的推导式为：

要保证I子带和Q子带滤波器严格正交，即函数的乘积在规定区域内上积分为零。可以推出，满足：

接收端与发送端对应，可得一对正交的匹配滤波器对的脉冲响应表达式为：

要保证能对信号进行解复用，接收端的MF滤波器和发送端的SF滤波器脉冲响应的时域卷积应满足奈奎斯特无码间串扰条件，这里为了简化计算，从频域对其进行分析，以I路为例，即

其中，

为了方便起见，这里取k＝0，即/>

即数字滤波器随机相位满足：

整个系统的加密部分可细分为四部分：对滤波输出信号的开始截取位置进行处理、对原信号处理、对数字滤波器相位处理、FRFT处理。基于Y-00的高阶映射加密方案在DFMA-PON系统在经过数字滤波器和原信号保密处理后，放大光噪声在系统中的影响，利用冗余信息形成的噪声对源信号的影响，使得非法接收端在不知道接收端匹配滤波器满足的相位序列、滤波后信号的开始截取位置时、明文信息的密钥序列、信号基映射规则以及FRFT的变换阶次p的情况下，受到光学器件固有噪声的影响更大，接收到的星座图更容易被噪声影响，时频域信息更加混乱，从而更难恢复原始信号，同时保证了明文和DFMA系统的安全，最终实现适用于DFMA-PON系统的安全传输技术。

对于DFMA-PON系统，本发明设计了一个光学FRFT的实现方法，传统傅里叶变换可以看作是分数阶傅里叶变换的一种特殊形式，两者具有相似的数学表达式。如果傅里叶变换是信号从时间轴t逆时针旋转90°到频域轴f，那么分数阶傅里叶变换就可以理解为信号从时间轴t逆时针旋转角度β到时域和频域中间的某一个变换域u上，效果上来看即为时域和频域各展现部分信息。β是一个可以改动的角度值，由变换阶次p决定。FRFT同时展示信号在时域和频域的部分信息，同时将变换阶次p作为系统的加密参数，可以在物理层实现复杂的光信号扰乱。根据傅里叶变换的定义，任意角度的FRFT定义式可以写成：

式中，α＝pπ/2；p表示FRFT的变换阶次。对上式进行数学推导，在α≠nπ的情况下，上式可展开为：

上式可以分解为三部分来实现，首先令输入信号与一个线性啁啾信号相乘来实现平方相位调制，其次将调制后的信号和另一个与时间二次方成正比的相位因子做卷积，最后将上一步的输出信号再次与第一种中完全相同的二次相位项做叠加，完成两次啁啾相位调制。这与时间透镜成像原理的相同，所以建立在光学上的分数阶傅里叶变换系统同样也是可以实现的。可以采用如图2的“相位调制模块+色散介质+相位调制模块”结构来实现光学分数阶傅里叶变换。

如图2所示的结构中，色散介质的传输函数仍为exp(jβ

经过整个光域变换模块后，输出光信号A(t)满足：

二阶色散值与二次相位调制器需要满足一定的条件才能实现基于时间透镜成像的光学傅里叶变换：

式中，C

为了验证基于FRFT的DFMA-PON光信号物理层加密系统的性能，信号源采用的是OFDM调制格式的DFMA信号，每路OFDM信号的IFFT点数为64，加载有效数据的子载波个数为29，循环前缀为0.125，DAC/ADC的采样速率为12GS/s。DFMA的上采样因子设置为6，滤波器的滚降因子α＝0。电信号产生后利用MZM调制器将其调制到连续波激光源产生的光载波的强度上。

光学FRFT加密模块分为三部分来实现的，即令输入信号与一个线性啁啾信号相乘来实现平方相位调制，再将调制后的信号与另一个与时间二次方成正比的相位因子做卷积，最后将上一步的输出信号再次与第一种中完全相同的二次相位项做叠加，完成两次啁啾相位调制，实现输入光信号的分数阶傅里叶变换。p值可以任意设置，此处将变换阶次设置为p＝1.0025。信号通过一根长为25km的光纤传输。光学分数阶傅里叶变换解密模块，需要在进行光学分数阶傅里叶逆变换之前，利用光栅、啁啾等色散介质将相位信息的改变还原。接收端的DSP处理模块也按照DFMA技术的流程处理并恢复有用信息。

基于上述参数的设置和系统仿真链路的搭建，得到了相关仿真结果。图3为MATLAB产生的电信号的频谱图，其中，图3(a)为发送端电信号的频谱图，图3(b)为合法接收端电信号的频谱图。观察图3(a)和图3(b)可以发现，两个电信号的频谱图的形状上可以保持一致，且都是由6个子信道组成，这说明经过FRFT处理以及FRFT逆处理模块后，信号可以被合法用户端正确的恢复出有用的信息，验证了分数阶傅里叶变换技术可以用于复杂调制格式的DFMA-PON系统。

图4为光信号进行分数阶傅里叶变换前后的信号光谱图，图4(a)为FRFT变换前的调制器的输出光谱图，图4(b)为FRFT变换后的信号输出光谱图。从图中可以看出，图4(b)与图4(a)相比，已经出现了严重的时频域信息混乱，此时，信号已经旋转到时域和频域中间的某一个变换域u上，窃听方几乎不可能从时频域混乱的光谱图中拿到有用的信息并恢复。综上所述，基于分数阶傅里叶变换的DFMA-PON光信号安全增强机制的可行性得到了验证。

为了验证本方案的系统性能，分别仿真了在经过25km的SSMF链路传输的情况下，在进行FRFT光加密和不进行FRFT光加密的各个子信道接收光功率与BER之间的变换曲线。接收端的误码率低于FEC时，可以进行纠错，然后无误码的对数据进行恢复。从图5中可以得知，对于加密和不加密两种情况，6个子信道均具有相似的性能。其中，实线代表的是经过25km SSMF传输的进行光学FRFT的情况，虚线代表的是信号不进行光学FRFT的情况。不加密情况下系统性能略好于加密情况下的性能，这说明利用FRFT对光信号进行处理，系统不需要额外引入一些大的代价。当光纤信道为25km时，BER满足7％HD-FEC线时，信道需要的接收光功率在-16.5dBm左右。非法接收端的误码率一直在0.5左右，说明窃听方无法对数据进行恢复。

本发明借用了基于Y-00的高阶映射加密方案以及DFMA-PON系统引入数字滤波器参数--开始截取位置的方案，发明了光学FRFT，在不引入额外的代价前提下，就可以实现光信息时频域扰乱，进一步增强DFMA-PON系统的安全性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。