Page 24 - 网络电信2021年11月刊上

系统的信息，达到保密的效果，合法者使用正确的基能恢复原
来的信号。
方案在加密的过程才用量子噪声流加密。在使用大规模
冗余编码保障物理层通信安全的同时，要实现高速通信就必须
提高频谱的效率。QAM正因为具有较高的频谱利用率，被数字
有线电视广播等标准选作主要的调制技术。与多进制相位调制
不同，QAM调制采取幅度与相位相结合的方式，可以更充分地
利用信号平面，从而在具有高频谱利用效率的同时获得比多进
制PSK更低的误码率。光通信中QAM调制阶数为1024×1024，
可以极大提高系统的安全性。本文采用对数据信号进行高阶
1024×1024QAM调制加密的一种物理过程。
以8×8QAM调制为例，QPSK信号64QAM调制量子噪声加密如
图3所示，QPSK数据信号进行64QAM调制，然后对映射空间添加
噪声，对数据进行覆盖。
文中数据为QPSK信号，进行高阶1024×1024QAM调制，调
制所需要的符号数为2m，m是每个符号的比特数。对于64QAM，
m=6，因此有64个符号，经过信道编码的二进制比特流进入QAM
调制器，调制信号被分为2路，一路为I，一路为Q，每路一次为
3bit数据流，对应8种幅度电平信号，同理，Q路也为3bit数据
流，对应8种电平信号。这样每个星座点代表由6bit数据组成的
一个映射，I和Q一共有8×8共64种组合状态，最后在星座图上
映射各种可能出现过的数据状态组合。
图 3 QPSK 信号 64QAM 调制量子噪声加密
图 4 密钥分发与加密控制系统实验原理
网络电信 二零二一年十一月
文中QAM加密映射按如下方式进行：首先将伪随机二进制序
列数据映射到QPSK格式；其次，使用QNSC协议将QPSK信号转换
为加密的QAM调制格式。将1位QPSK数据分别在I和Q模式下与n位
加密基相结合生成QAM信号。I或Q数据的星座点数为2 2×(1+n) ，因
此，2位(I+Q)是隐藏在(n+1)×(n+1)的加密符号中。在I和Q的
二维平面上受到随机量子噪声的干扰，调制信号受到了噪声覆
盖，对原始信号进行了加密。1024×1024QAM按照同样的原理进
行调制映射。
二、实验原理
密钥分发与加密控制系统实验原理如图4所示，搭建
200km10Gbit/s相干光通信实验平台。验证环境分为光发射前
端、光纤链路、光接收前端3部分，光纤链路采用200kmG.652普
通单模光纤级联。光发射端由I/Q光调制器、窄线宽激光器、信
号发生器（Arbitrary Waveform Generator，AWG）、宽带射频放
大器等构建。AWG数据来源于离线处理数据，伪随机发生器负责
生成电信号。发送由发送端信号程序生成的OFDM数据，信号速率
为10Gbit/s，电信号幅度为350mV，时钟源为其内部默认时钟。
光接收端以90°光混频器、窄线宽激光器产生相干光信号、平
衡光探测器为主要光器件构建光接收机前端，通过高速实时采
样示波器（Oscilloscope，OSC）进行信号接收采样，并进行后
续离线数据处理。
图4虚线上半部分为密钥分发系统，虚线下半部分为Y-00
加密系统。Alice发射端发射伪随机性信号序列，经过Bob再
回传给Alice，Alice对比收发数据计算出B BERA 。同理Bob得到
B BERB ，通过量化编号生成密钥K A 与K B ，利用密钥基对传输系统采
用Y-00加密协议。实验方案用1024×1024-QAM-OFDM高阶调制
方式，I路和Q路分别是使用1位数据和9位随机模式进行加密的
1024×1024高阶QAM（10位）数据加密过程。其中，用于加密的
9位随机模式被称为“基”信息，即双方使用共享密钥生成的伪
随机序列。
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