一种全光同步方案的设计与实现

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1、一种新的全光同步方案设计与验证摘 要：全光异或加解密系统是解决光网络目前所面临的“速率瓶颈”和安全威胁问题的一种有效途 径，而保证加解密系统可靠高效工作的前提是实现全光同步。简要分析了现有全光同步方案的局限 性，针对全光异或加解密系统中的密码同步问题，设计了一种新的全光同步方案，将具有相同光功 率的同步信号和密文数据进行波分复用并都通过经典信道进行传送，推导出了光纤信道传播时延差 公式，通过对密文数据进行相应的延时控制来实现其与解密密钥之间的密码同步功能，利用 OptiSystem7.0 分别对 10Gbit/s 和 40Gbit/s 的全光异或加解密速率进行仿真实验，验证了该全光 同步方案的

2、可行性。 关键词：光网络；全光同步；全光异或加解密；波分复用；色散；光纤传播时延差中图分类号：TN913.7A New All-Optical Synchronization Scheme Design and VerificationAbstract: All-optical XOR encryption and decryption system is an effective way to solve the “speed bottleneck” problems and security threats currently encountered by optical networks

3、, and the premise to ensure the system to work reliably and efficiently is to achieve all-optical synchronization. The limitation of the existing all-optical synchronization scheme is analyzed briefly. For the password synchronization problem of all-optical XOR encryption and decryption system, a ne

4、w all-optical synchronization scheme is designed, the synchronization signal and ciphertext data with same optical power are transmitted through the classical channel. The fiber channel propagation delay difference equation is deduced, the password synchronization function between ciphertext data an

5、d decryption key is achieved through the corresponding delay control to ciphertext. The simulation experiments of all-optical XOR encryption and decryption speed at 10Gbit/s and 40Gbit/s are did respectively through OptiSystem7.0, that tests the feasibility of the all-optical synchronization scheme.

6、Keywords: optical network; all-optical synchronization; all-optical XOR encryption and decryption; WDM; dispersion; fiber propagation delay difference 0 引言近年来，随着各种通信业务量的迅速膨胀，光纤通信网在各国经济、政治、军事等领域的应用 日渐突出。然而，传统的光纤通信网在保密系统中仍采用基于电信号处理的加解密技术，由于受到 “电子瓶颈”的限制，其加解密速率较慢，并且传统光网络在光层内没有对数据信号进行安全处理 随着各种窃听仪器和攻击设备的出

7、现，光纤原本所“特有”的物理安全被打破，光网络随时面临安 全威胁。因此，研究人员提出设计全光保密通信系统，在光层内采用全光异或XOR）逻辑的方式对 信号进行加解密处理，这样既可以解决传统的基于电信号处理的加解密技术的速率瓶颈障碍，同时 也实现了在光层内对信号的安全处理，从而保证数据在光网络中的超高速安全传输1。 然而，目前 所报道的全光异或加解密方案都只是针对光信号进行单纯的异或和解异或验证，却没有考虑处于异 地的加解密双方之间的密码同步问题。在实际的光网络应用中，收发双方之间通常相距100km甚至 更远距离，则密文数据在传输过程中会发生一定的传播延时，并且不同距离、不同环境的光纤链路 所引起

8、的传播时延都各不相同，使得接收端无法识别密文数据的起始位置，造成加解密过程难以同 步进行，最终导致误码率增大甚至解密失败。因此在接收端，如何确定密文数据序列的起始位置， 保证密文数据序列与解密密钥序列之间的起始位置完全对齐，实现密码同步，这是决定全光异或加 解密系统成功运行的关键。在基于电信号处理的保密通信系统中，密码同步功能的实现主要是采用时分复用的方式在数字 信息流中插入一些特殊的同步码组（如巴克码）作为标识符来确定数字信息流的起止时刻；而在全 光异或加解密系统中，明文数据序列是已经封装成帧的超高速光包数据流，若对其进行拆分和插入同步码组，将会使系统变得非常复杂，这违背了全光异或加解密系统

9、的初衷。因此，只能通过其它 方法来实现全光异或加解密系统中的密码同步功能。目前，国内外关于全光同步方案的研究工作主 要是针对量子密钥分发（QKD）系统中的密码同步问题2-8在量子保密通信中，QKD系统通过量子信 道在加解密两端之间生成安全的量子密钥，然后采用波分复用WDM）的方式将同步光信号和量子密 钥耦合到同一根光纤中分别通过经典信道和量子信道进行传送，该方案可以补偿时间抖动，存在的 主要问题是量子密钥的光功率及其微弱，因此光纤信道串扰会对量子密钥造成极大的影响，同时光 纤损耗会导致接收端对量子密钥的探测效率下降，使得误码增大，限制传输距离。所以，该全光同 步方案并不适用于现有的长距离WDM

10、系统。本文指出了全光保密通信系统对解决现有光网络“速率 瓶颈”和安全威胁问题的至关重要性，分析了 QKD系统中全光同步方案的局限性，然后针对长距离 全光异或加解密系统中的密码同步问题，设计了一种新的全光同步方案，推导出了光纤信道传播时 延差公式，将具有相同光功率的同步信号和密文数据进行波分复用并都通过经典信道进行传送，在 光通信系统设计软件OptiSystem7.0仿真平台上搭建全光异或加解密系统模型，分别对lOGbit/s和 40Gbit/s的加解密速率进行仿真实验，结果表明本文设计的全光同步方案确实切实可行，可直接应 用于现有的WDM系统。1 同步方案设计如图1所示为本文设计的全光同步方案

11、原理框图，同步过程的实现建立在现有的WDM系统之上。 在加密端，将短波长的密文数据信号和长波长且具有特殊码组的低速率同步信号耦合到同一根光纤 链路中都通过经典信道进行传送，且对两路信号设置相同的入纤光功率，保证光纤信道环境对两路 信号造成的影响相同；在解密端，首先解复用出两路信号，利用光纤信道传播时延差公式计算出两 路光信号之间的传播时延差，然后通过同步控制单元对同步信号进行判决检测，并驱动控制光密钥 流产生器 K2 生成解密密钥，使得解密密钥与同步信号步调一致；由于长波长的同步信号滞后于短波 长的密文数据，即解密密钥滞后于密文数据，因此通过时延控制单元对密文数据进行相应的延时校 正，使得密文

12、数据序列的起始位置与解密密钥序列的起始位置相互对齐，从而实现两路信号之间的 全光同步功能。光纤密钥计明文同步信号1111100110101光电转换发生器同步信号单兀同步控制 单元同 步、 信long同 涉 信同步控制 单元long九long1 t 号号1V光密钥流 产生器K1光纤密文全光异或 加密器short * 密文时延控制单元光密钥流 产生器K2光纤密钥=f全光异或解密器明文密文图 1 全光同步方案原理框图可以看出，实现全光同步的关键是计算两路光信号之间的时延差，并进行精确的时延校正。光纤信道传播时延差公式的推导过程如下，通常用色散来表示时延差，设光纤的工作波长 0窗口范围 的色散系数为D

13、 （ps/（nmkm），即单位波长间隔（lnm）的两个频率成分在光纤中传播lkm时所产 生的群时延差，则两路光信号通过长度为L的波分复用系统时，由光纤色散所引起的群时延差可表 示为：At = D -（九九）-LDlong short除此之外，即使光纤工作在零色散波长窗口，不同频率的光信号经过一定距离传播后仍会产生 群时延差，这主要是由光纤的二阶色散（即色散斜率）在光纤信道中所产生的残余色散不断累积而引起的。设光纤工作波长长0窗口范围的色散斜率系数为S（Ps/血灿）则由光纤色散斜率所引起的传播时延差可表示为：AtSS -（九一九）+ S （九一九）=long0short0-（九2 （long九）

14、-Lshort九=S - （long+九short2九 +九=D -（九 一九 ）-L + S - （ |ongshr 九）-（九一九 ）-Llong short20 long short九 +九 .=D + S - （ longshnri-九）-（九 九 ）-L20 long short九）-（九一九 ）-L0longshort因此，光纤链路对两路光信号所引起的传播时延差可表示为At= At + AtFiberD S从以上得到的传播时延差公式可以看出，在光纤链路其它参数取值固定的情况下，时延差AtFiber 的取值主要随光纤长度L变化。因此，对于光纤长度为L的WDM系统，可通过传播时延差公式

15、计算 出精确的传播时延差，并在接收端对短波长信号进行相应的延时，从而实现两路信号之间的全光同 步功能。2 仿真实验分析2.1 实验参数设置本文在OptiSystem7.0仿真平台上分别搭建了 lOGbit/s和40Gbit/s的全光异或加解密系统， 通过在收发双方之间接入长距离的光纤链路来进行全光同步仿真实验分析。实验中各路光信号均是 经过电光调制而得到的RZ码光脉冲，脉冲消光比30dB，占空比为0.5。其中，明文和密钥数据分别 设置为 128 位周期性循环的伪随机序列“1101100100111000001001101100111011010010”和“1 00101101110011000

16、1101011100000011101100”，则密文数据的脉冲序列为“0100111111011110 000100110000111000111110”，比特速率设置为lOGbit/s和40Gbit/s两种；同步信号发生器输 出具有1 3位巴克码序列的同步码组“1 1 1 1 1 00 1 1 0 1 0 1 ”作为同步信号，为了降低相关模块的复杂度， 同步码组的比特速率固定为1Gbit/s。同步信号和密文数据的入纤光功率均设置为7dBm，信道波长 分别设置为1553nm和1551nm。与常规型G.652单模光纤相比，非零色散位移光纤（G.655光纤）具 有非常优异的色散特性，它在1550

17、nm波长窗口的色散值较低，且同时具有正负两种色散系数，其色 散系数绝对值通常在1.0ps/（nmkm）到6.0ps/（nmkm）范围变化，不仅适用于10Gbit/s和40Gbit/ s的光纤通信系统，也适用于新一代100Gbit/s的光网络，而且不断涌现出了许多制造工艺技术， 提高了光纤生产效率，降低了成本9,10。因此，仿真实验中光纤链路的参数设置模拟实际应用中的G. 655 光纤，主要参数设置如表 1 所示。表1 G.655光纤的主要参数设置参数名称取值工作波长1550nm光纤损耗0.2dB/km色散系数4.12ps/nm/km色散斜率0.0828ps/nm2/km模场面积85um2n2.

18、6X 10-20m2/W2.2加解密速率为10Gbit/s对于lOGbit/s的全光异或加解密速率，仿真实验中将一段长度为160km且具有正色散系数的G. 655光纤链路接入WDM系统，利用光纤信道传播时延差公式计算同步信号和密文数据通过160kmG.6 55 光纤后所产生的传播时延差为：At= At + At = 1371.392ps 1371 psFiber D S因此，通过时延控制单元对密文数据延时1371ps，使得密文数据与解密密钥的起始位置相互对 齐，从而实现两路信号之间的全光同步功能。如图 2 中所示分别为波分复用前同步信号“11111001 10101”和密文数据“0100111

19、111011110000100110000111000111110”的时域波形图，图3中所 示分别为解复用出的同步信号和密文数据的时域波形图。可以看出，经过光纤链路传输后，两路信 号都发生了延时，并且彼此之间产生了一定的时延差，经计算得到，同步信号相对于密文数据延时 了 1371ps。图4所示为解密密钥时域波形图，它发生了与同步信号完全相同的延时，图5所示为延 时1371ps后的密文数据时域波形图。可以看出，最终解密密钥和密文数据的起始位置相互对齐，实 现了全光同步。03 n6 n9 n12 n1*,f I J、*、IIAA)Mod3n6n9n12 nTime (s)(a)同步信号1 n2 n

20、3 n4 n1 n2 n3 n4 nTime (s)( b )密文数据图2波分复用前的信号时域波形图5 n8 n11 n14 nii.i.iTim e (s)(a)同步信号一 t rTr r rTr r 二二-?l-4 口 OS 09 0寸口 02 o二 09 0寸二 02 0 Gw) godE L 00B00900寸ooz 0 邕DMod图4解密密钥时域波形图4n(b)密文数据图 3 解复用出的信号时域波形图008 009 00寸007 0Anl -AcJ3n4n5n6nTime (s)图 5 延时 1371ps 后的密文数据时域波形图2.3 加解密速率为 40Gbit/s色散是影响光纤通信

21、系统传输性能的主要因素，它在传输中对数据比特流产生了有害的“时域 展宽”效应，导致不同频率的光场以不同的群速率在光纤信道中传输，从而产生时延差。并且色散 是个累积效应，不仅随着光纤传输距离的增大而增加，而且其对光纤通信系统的影响随着数据比特 速率的增大呈现出平方律增长11,12。色散对通信系统传输性能的影响可以用色散受限距离来表示13：Lmax105DB2上式中， L 表示在没有进行色散补偿的情况下，理论上光场由于色散受限所能达到的最大传 max输距离；B为光脉冲的比特速率；D为光纤的色散系数。可以看出，色散受限距离主要与光纤色散 系数和信道比特速率有关，且与信道比特速率的平方呈反比关系。对于

22、G.655光纤来说，当信道比 特速率为lOGbit/s时，理论上色散受限的最大传输距离约为240km，当比特速率增加到40Gbit/s 时，则色散受限的最大传输距离只能达到约15km。因此，为了实现信号的高速率长距离传输，则必 须通过色散管理技术对光纤传输信道进行适当的色散补偿。但在实际应用中，色散补偿并不能使整 个通信干线中的总色散值完全为零，总会存在一定的残余色散。对于40Gbit/s的全光异或加解密速率，仿真实验中将两段长度同为80km、色散系数互为正负 且绝对值相等(4.12和-4.12ps/(nmkm)的G.655光纤链路接入WDM系统，利用光纤信道传播时 延差公式计算同步信号和密文

23、数据通过80km+80kmG.655光纤后所产生的传播时延差为：At二 At + At - At + At 二 2 - At 二 52.992ps = 53psFiber D S D S S因此，对密文数据延时53ps，从而实现解密密钥与密文数据之间的全光同步功能。图6和图7 中所示分别为波分复用前和解复用出的信号时域波形图。可以看出，虽然通过两段色散系数互为正 负的G.655光纤对通信链路进行了色散补偿，但两路信号仍然发生了延时，且彼此之间产生了53ps 的时延差，这是由光纤色散斜率所引入的残余色散造成的。图8 所示为解密密钥时域波形图，它发 生了与同步信号完全相同的延时，图9所示为延时53

24、ps后的密文数据时域波形图。可以看出，最终 解密密钥和密文数据的起始位置相互对齐，实现了全光同步。03 n6 n9 n12 n03n9仃12 n6nTime (s)M son-0E T-200 p(a)同步信号400 p600 p800 pEoz eol MModAMURI800 p400 p600 pTime (s)(b)密文数据图 6 波分复用前的信号时域波形图(a)同步信号200 p400 p600 p800 p1n邕ModTime (s)o 00寸00E00Z00L 0 o邕DMod(b)密文数据图 7 解复用出的信号时域波形图200 p800 p1 n400 p600 pTime (

25、s)0200 p*i800 p.t.1 n图8解密密钥时域波形图400 p600 pAA) teson-图 9 延时 53ps 后的密文数据时域波形图3 结论本文首先指出了全光保密通信系统对现有光网络的至关重要性，分析了 QKD系统中的全光同步 方案的利弊，然后针对全光异或加解密系统中的密码同步问题，设计了一种新的全光同步方案，并 推导出了光纤信道传播时延差公式，在OptiSystem7.0仿真平台上搭建长距离全光异或加解密系统 模型，将长波长的同步信号与短波长的密文数据通过WDM进行传送，在接收端利用同步控制单元对 同步信号进行判决检测，并驱动控制光密钥流产生器K2生成解密密钥，通过时延差公

26、式计算两路信 号之间的时延差，同时利用时延控制单元对密文数据进行相应的延时校正，使得密文数据序列的起 始位置与解密密钥序列的起始位置相互对齐，最终成功完成了 lOGbit/s和40Gbit/s的加解密仿真 实验，验证了该全光同步方案的可行性。与 QKD 系统中的全光同步方案不同的是，本文设计的同步方案是将入纤光功率相同的同步信号 与密文数据耦合到同一根光纤中都通过经典信道进行传送，因此可以直接应用于现有的WDM系统， 为全光异或加解密系统的成功运行提供了有力保证，对解决光网络目前所面临的“速率瓶颈”和安 全威胁问题奠定了基础。参考文献1 曹东东.基于SOA-MZI的全光异或改进及加解密方案研究

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