安全性增强的双向长距离混沌保密通信 下载: 1115次
1 引言
自Pecora和Carroll于1990年提出并验证混沌同步方案以来[1],基于半导体激光器(SLs)的光混沌系统因具有复杂度高、带宽宽以及与现有光纤系统的兼容性良好等优势而成为混沌保密通信领域的研究热点[2-19]。2005年,Argyris等[10]基于SLs所产生的混沌载波信号,在希腊雅典城域网中成功实现了1 Gbit/s的信息在120 km光纤信道的单向混沌保密传输,且其误码率仅为10-7。随后基于光子集成激光器混沌光源,于2010年成功实现了2.5 Gbit/s信息在100 km光纤信道的保密通信,经过前向纠错处理后其误码率达10-12[11]。尽管上述研究已经证实了单向混沌保密通信的可行性,然而,双向甚至多向混沌保密通信始终是该领域发展的必然趋势。
近年来,基于SLs的双向混沌保密通信已经成为研究热点[12-19]。目前研究的双向保密通信系统的结构主要包括两类。第1类是基于2个互耦SLs之间的混沌同步实现信息的双向传输[12-15]。如Klein等[12]实验和理论分析了2个互耦SLs之间的同步性能,并初步实现了2个激光器之间信息的双向传输;Zhang等[13]利用极不对称的互耦合激光器结构理论上验证了信息双向传输的可能性。第2类是用1个公共的混沌光源(或者噪声)驱动2个响应激光器(RLs),从而使2个RLs之间达到混沌等时同步进而实现2个RLs之间信息的双向传输[16-20]。本课题组于2013年在实验上成功实现了误码率低于10-4的2个2.5 Gbit/s信息在10 km光纤的双向混沌保密传输[16]。尽管上述成果已经大大推动了基于SLs的双向混沌保密通信的发展,但这些系统中使用的混沌信号通常还存在明显的由光反馈引入的时延特征(TDS)。已有研究报道,窃密者可通过自相关函数[21-22]、互信息[21-22]和排列熵[23-25]等方法,利用混沌信号中的TDS重构系统,严重威胁通信系统的安全性[26-27]。对于第2类结构,驱动激光器(DL)与RLs输出之间的关联性应该尽可能低,以防止窃密者通过对两者进行比较而将信息提取出来[18-19]。因此,混沌载波信号TDS的抑制和DL与RLs输出之间较低的关联性均能有效增强第2类双向混沌保密通信系统的安全性。
本文利用一个带光反馈的注入激光器(IL)产生的混沌信号双路径注入到DL中以产生低TDS的宽带混沌信号,然后将该混沌信号注入到2个独立的RLs中以进一步抑制混沌信号的TDS和提高混沌信号的带宽,通过选择适合的参数,使2个RLs获得高质量混沌同步的同时,DL和RLs之间的关联性较小。构建了一种安全性增强的双向长距离混沌保密通信系统方案,并对该系统的高质量混沌信号的产生、同步性能、双向通信性能、安全性能以及光纤信道对信息传输的影响等进行了相关研究。
2 系统结构
安全性增强的双向长距离混沌保密通信系统的结构示意图如
3 理论模型
系统中4个激光器的动力学行为可以用如下包含光反馈或光注入的Long-Kobayashi (L-K)扩展模型来描述[19,28]:
图 1. 安全性增强的双向长距离混沌保密通信系统的结构示意图
Fig. 1. Schematic diagram for security-enhanced long-distance bidirectional chaos communication system
式中下标I、D、R1和R2分别表示IL、DL、RL1和RL2,
混沌光信号在光纤中传输可以用以下非线性薛定谔方程来描述[29]:
式中
2个混沌信号之间的关联程度可以用关联函数
式中下标
系统的通信质量可以用
式中<
4 结果讨论
基于上述系统架构和理论模型,利用四阶龙格-库塔法对该系统的性能进行相关数值仿真。计算过程中除特别说明外,假定各激光器除频率外的其他内部参数相同,具体取值如下[19,25]:
4.1 低TDS的宽带混沌信号产生
低TDS的宽带混沌载波信号是实现基于外腔SLs的高速混沌保密通信系统的前提。下面用
图 2. DL输出混沌的(a) σD和(b) WD在频率失谐ΔfID和注入强度kin1构成的参数空间中的演化图
Fig. 2. Evolution maps of (a) σD and (b) WD of the chaos outputs from DL in the parameter space of frequency detuning ΔfID and injection strength kin1
图 3. 光纤链路F1和F2为10 km时,RL1输出混沌信号的(a) σR1和(b) WR1 在频率失谐ΔfDR和注入强度kin构成的参数空间中的演化图
Fig. 3. Evolution maps of (a) σR1 and (b) WR1 of the chaos outputs from RL1 in the parameter space of frequency detuning ΔfDR and injection strength kin, where the lengths of fiber links F1 and F2 are also 10 km
基于前面的分析,将
4.2 混沌同步
图 4. 光纤链路F1和F2为10 km时,(a) RL1与RL2和(b) DL与RL1混沌输出之间最大互相关系数在频率失谐ΔfDR和注入强度kin构成的参数空间中的演化图
Fig. 4. Evolution maps of maximal cross-correlation coefficients between two lasers for (a) RL1 and RL2 and (b) DL and RL1 in the parameter space of frequency detuning ΔfDR and injection strength kin, where the lengths of fiber links F1 and F2 are also 10 km
图 5. 光纤链路F1和F2为50 km时,(a) RL1与RL2和(b) DL与RL1混沌输出之间最大互相关系数在频率失谐ΔfDR和注入强度kin构成的参数空间中的演化图
Fig. 5. Evolution maps of maximal cross-correlation coefficient between two lasers for (a) RL1 and RL2 and (b) DL and RL1 in the parameter space of frequency detuningΔfDR and injection strength kin, where the lengths of fiber links F1 and F2 are also 50 km
结合
图 6. 光纤链路F1和F2均为10 km时,DL、RL1和RL2 3个激光器中任意2个激光器输出混沌信号的(a1)-(a3)时间序列 、(b1)-(b3)功率谱和(c1)-(c3)对应的互相关函数
Fig. 6. (a1)-(a3) Time series, (b1)-(b3) power spectra and (c1)-(c3) corresponding cross-correlation coefficients for arbitrary two chaotic outputs from DL, RL1 and RL2, where the lengths of fiber links F1 and F2 are also 10 km
图 7. RL1与RL2之间的最大互相关系数Cmax_R1,R2和DL与RL1之间的最大互相关系数 Cmax_D,R1随激光器内部参数及链路F1和F2光纤参数失配的变化
Fig. 7. Maximal cross-correlation coefficients Cmax_R1,R2 between RL1 and RL2, Cmax_D,R1 between DL and RL1 versus internal parameters of lasers and parameter mismatches between F1 and F2
考虑到实际应用中很难获得参数完全一致的激光器和光纤信道,因此,有必要研究2个RLs之间的内部参数失配及光纤链路F1和F2之间参数失配对系统同步性能的影响。为了方便,仅改变RL1的3个典型内部参数(
4.3 双向长距离保密通信
图 8. 20 Gbit/s的信息在不同距离色散位移光纤中双向传输的解码效果。(a)解码信息的Q因子随传输距离变化的曲线;(b)-(d)传输距离分别为20,80,120 km时2个相反方向解码信息的眼图
Fig. 8. Q factors of 20 Gbit/s decoded messages for different bidirectional transmission distances in dispersion-shifted fibers. (a) Q factors of decoded messages versus the transmission distance; (b)-(d) eye diagrams of decoded messages for transmission distances of 20, 80, 120 km along 2 opposite directions
长距离色散位移光纤信道的使用无疑会极大地增加系统成本,几个Gbit/s的通信速率已能满足目前的保密通信的要求。因此,将上述系统中的色散光纤替换成普通的单模光纤(参数为[19]:
最后,从该系统可能受到的几种攻击方式来分析系统通信的安全性。由于系统采用双路径混沌光注入方式使2个RLs获得了低TDS的高复杂度混沌信号,窃密者很难通过直接窃取光纤链路中混沌信号利用相空间重构方法窃取通信系统中传输的信息,在一定程度上增强了系统通信的安全性。就具体的窃听攻击方式而言,分为3类。1) 假如窃听者试图利用从光纤链路F3和光纤链路F1或F2窃取的信号来恢复信息。由于本系统采用的参数可使RL1和RL2之间获得高质量的混沌同步,而DL与RL1或RL2之间的相关系数甚至可以降到0.1以下,如
图 9. Gbit/s的信息在不同距离普通单模光纤中双向传输的解码效果。(a)解码信息的Q因子随传输距离变化的曲线;(b)-(d)传输距离分别为20,80,120 km时2个相反方向解码信息的眼图
Fig. 9. Q factors of 1 Gbit/s decoded messages for different bidirectional transmission distances in dispersion-shifted fiber. (a) Q factors of decoded messages versus the transmission distance, (b)-(d) eye diagrams of decoded message for transmission distances of 20 , 80, 120 km along 2 opposite directions
双向传输的信息,通过“减”操作来窃取通信双方传输的信息。这种方式仅仅能获得通信双方传输信息的差值,在不知道通信双方加载的原始信息的情况下,窃听者并不能最终恢复真正传输的信息。3) 假如窃听者试图通过直接窃取光纤链路F3中某一方向的信号来获取信息。由于传输的信息幅值很小,能很好地隐藏在混沌载波中,因此窃听者只能先放大信号然后再通过驱动-响应同步方式来恢复信息。然而,放大过程中必然会引入更多噪声的干扰,从而导致这种窃听方式很难实现。此外,窃听者在窃听过程中一旦改变了系统的注入参数,将导致系统同步系数的变化,因此也可以通过监控系统同步系数的变化来确保系统通信的安全性。一旦通信过程中发现系统的同步系数发生抖动,可以立即停止通信来防止信息被窃取。基于此,提出的双向长距离混沌保密通信方案能在很大程度上确保系统通信的安全性。
5 结论
提出一种安全性增强的双向长距离混沌保密通信系统,研究了该系统的低TDS宽带混沌信号的产生、同步性能、通信性能及系统的安全性等方面的性能。结果表明:利用光反馈IL产生的混沌信号通过双路径注入到DL可获得低TDS的宽带混沌信号。将DL输出的混沌信号注入到RLs中,在选择适当的注入强度和频率失谐后,RLs产生的混沌信号的TDS可被进一步抑制,其带宽也可被进一步提高,且2个RLs能实现高质量的等时混沌同步,而DL与RLs的相关性较低。基于该混沌同步,2个RLs之间能实现信息的双向远距离保密传输。采用色散位移光纤作为信道,20 Gbit/s的信息在传输120 km后,解码信息的
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