Page 22 - 网络电信2021年11月刊上

基于光通信物理层的密钥分发与加密控制系统研究

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刘宇明 刘问宇 崔晨 程涛 王祥青 李亚杰 雷超 张杰 2
1. 云南电力调度控制中心 2. 北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室

摘要：随着大容量、高速率网络的快速发展，光通信安全成为主要的研究热点。由于传统的密
钥分发与加密方案的局限性，文章提出一种物理层信道特征提取技术，实现了密钥分发与加密控
制系统。方案采用 10Gbit/s200km 高阶正交振幅调制（QuadratureAmplitudeModulation，
QAM）的传输系统。首先，Alice 与 Bob 分别提取光纤信道物理特征误码率（BitErrorRatio，
BER），通过量化编码生成一致性密钥。其次，利用生成的密钥基对传送序列进行加密，将正交
相移键控（QuadraturePhaseShiftKeying，QPSK）信号映射到高阶 1024×1024QAM 信号上，
并利用噪声流对高阶 1024×1024QAM 信号淹没。该系统由于信道不可复制性和信道噪声的随机
性，密钥的安全性和随机性好，并且密钥成码率高、产生密钥设备简单，系统使用高阶 QAM 调制，
增加了系统的安全性。实验结果表明，系统生成的密钥的成码率达到 400kbit/s，密钥的随机性好。
利用产生的密钥对传输系统进行加密，200km 传输链路接收方 BER 较低，传输性能好。
关键词：信道特征提取；密钥分发；误码率（BER）；高阶 QAM 调制

随着移动通信和云计算业务的快速发展，高速率和大容量 护数据和密钥不被截获。在文献中，量子噪声的随机密码技
的光通信系统成为承载互联网流量的基础设施，与此同时光纤 术是一种基于光网络物理效应的安全技术，该技术基于相干
通信网络的安全性也越来越电力信息与通信技术受到重视 [1-3] 。 光的量子效应，通过细分信号的物理状态，使得不同信号状
目前，以算法复杂度为基础的传统密码体制是数据加密的主要 态之间差异非常小。在多级映射的强度移位键控（Intensity
方法，易于实现。但是，随着量子计算机的破解能力越来越 Shift Keying，ISK）系统中，它有潜力在基于强度调制和直
强，一旦发现算法的快捷方式，数学密码将面临数据被窃取的 接检测（Intensity Modulation Direct Detection，IMDD）
[4]
风险 。物理层加密依赖于物理现象，与攻击者所具有的计算 的数据中心中实现超过100Gbit/s的信号传输。在振幅键控
能力无关，因此基于物理层的加密技术有望实现更加安全的互 （Amplitude Shift Keying，ASK）随机流密码协议和相移键控
[5]
连 。 （PhaseShiftKeying，PSK）随机流密码协议加密系统中，将信
由于高安全性和强大的鲁棒性，光学混沌加密引起了人 号映射到幅度或相位空间，实现信号在量子幅度噪声和相位噪
们的广泛关注。光学混沌加密的提出是基于物理层的光网络 声中的安全隐藏。对于正交振幅调制随机流密码协议，加密的
保护方法 [6] 。到目前为止，光学混沌加密系统的最高比特率 原理是将数据信号隐藏在量子幅度噪声和相位噪声中。由于使
是32Gbit/s，而且安全传输的比特率受设备性能和安全机制 用I/Q映射对信号进行幅度和相位调制，因此QAM/QNSC方案可以
[7]
的限制 。量子噪声流密码（Quantum NoiseStreamCipher， 使信号最大限度的被噪声遮掩，显著提高频谱效率和比特率，

QNSC）是另一种通过在物理层上基于随机流密码（Yuen2000， 实现信号的多维空间隐藏 。
Y-00）协议利用量子噪声掩盖信号来确保传输安全的方法。在 量子密钥分发（Quantum Key Distribution，QKD）可以在
Y-00加密协议中，通过用固有的量子噪声掩盖信号电平，保 远距离之间产生安全密钥，理论上可以实现无条件安全，这种

网络电信 二零二一年十一月 27