Page 23 - 网络电信2021年11月刊上
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光 通 信
挑战暗示着实施和维护QKD系统的成本很高。QKD对经典频道中 环回测量信道的物理特征BER，如图1所示，是基于密钥分发与
的噪声不利，传输通道中的噪声和损耗很容易掩盖感兴趣的信 噪声流加密的控制系统，发射机 和接收机分别表示为Alice和
号；QKD对噪声和损耗高度敏感，它需要单光子或微弱的信号 Bob。
传输；QKD与长距离的光放大器不兼容并且成码率低；另外， 具体密钥分发原理如下：
QKD的实施增加了系统设计的成本和复杂性。在无线通信中，利 步骤1：Alice端发射机调制信号序列X A ，经过光纤链路后
用信道衰落和随机性来生成密钥。在光网络中，通过创新使用 到达Bob，Bob接收到信号序列为X AB 。
光学组件和特性，提出了几种方法在光纤通信系统中进行密钥 步骤2：Bob接收到信号通过AD与DA转换，将信号环回给
生成和分发。多模光纤中的随机模式混合证明密钥生成具有丰 Alice，此时Alice接收到的信号为X ABA 。
富的动态特性。极化保偏光纤中的极化模式色散和极化模式干 步骤3：Alice通过环回测量接收到信号序列X ABA ，初始发送
扰也用于密钥生成，但是，密钥并未完全隐藏在传输链路中， 的信号序列为X A ，比较2个序列计算出误码率B BERA ，图1红色线为
这使窃听者可以通过光纤窃听访问信号。在文献中，提出了分 Alice环回测量线路。
布式马赫曾德尔光纤干涉仪，使用不对称的结构阻止吸管直接 步骤4：同理Bob发送信号序列X B ，通过环回测量得到信号
从传输链路中检测密钥。但是，通过在传输链路附近安装噪声 序列为X BAB ，比较2个序列算出误码率B BERB 。图1蓝色线为Bob环回
源，窃听者可以轻松控制密钥生成。因此，在光纤链路中，提 测量线路。
供更简单、更高效的密钥分发方案有待进一步研究。 步骤5：Alice与Bob通过量化编号产生一致性密钥K A 与K B 。
针对以上问题，本文设计了一种新颖的基于物理层特征提取 步骤6：Alice通过得到密钥K A 对传输数据X i 序列进行加密，
的光通信物理层密钥分发与Y-00加密协议控制系统方案。收发两 使用Y-00加密协议。Bob通过密钥分发得到的一致性密钥KB对加
端通过环回测量提取信道特征误码率（Bit ErrorRatio，BER） 密数据序列X i 进行解密，恢复原始数据。最终完成密钥分发与
（用B表示），通过量化编码生成密钥。由于光通信信道的短时 传输加密一体化的密钥控制系统。
相关性和随机性，因此，生成的密钥随机性和一致性较好。加 2、量子噪声流加密方案介绍
密系统将QPSK信号调制为1024×1024高阶QAM加密信号，并且在 传统加密原理与Y-00加密原理比较如图2所示。图2（a）
发射端引入噪声信号。文章设计了一种基于10Gbit/s200km的光 为传统加密原理，是基于数学的加密算法，将明文的二进制
纤链路传输系统，使用正交频分复用（Orthogonal Frequency 数据转换为密文的二进制数据，攻击者可以区分电平“0”和
Division Multiplexing，OFDM）传输调制格式。实验结果表明， “1”，从而获取信息。图2（b）为Y-00加密原理，发送方使用
方案生成的成码率为400kbit/s，利用密钥基扩展生成运行密 加密基，通过多级加密对二进制数据进行加密，通过基来掩蔽
钥，抗截获能力强，传输安全性好，并且解密后信号的BER低于
–4
10 ，信号传输性能良好。
图 1 密钥分发与加密系统框图
一、密钥分发与加密协议分析
1.系统总体原理
物理层信道特征BER是本文重要的物理特征。文中首先提取
信道的物理特征BER，系统采用QPSK调制相干检测系统。在传输
过程中对光纤信道BER的影响因素很多，如信道噪声、放大器自
发辐射（Amplifier Spontaneous Emission，ASE）噪声等。
当传输系统存在高斯白噪声和相位噪声时，Alice端发射机
调制信号X A 表示为：
式中：θ(t)为调制的相位；φ A (t)?为Alice发射机电力信息
与通信技术激光器引入的相位噪声；N AB (t)为传输线路引入的高 图 2 传统加密原理与 Y-00 加密原理比较
斯白噪声。经过光纤链路传输到达Bob端的信号为X AB ，表示为：
式中：φB(t)为Bob端接收机激光器引入的相位噪声；
N BA (t)为来回传输线路引入的高斯白噪声。信号通过环回传输到
达Alice端变为X ABA ，如公式（3）所示：
在求BER的过程中要充分考虑上述噪声信号。本文主要通过
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