Page 26 - 网络电信2021年11月刊上

本文采用光物理层安全传输10Gbit/s200km系统方案。实验
结果如图7所示。图7（a）为解密后的信号频谱图，图7（b）为 四、结语
QPSK数据信号进行量子噪声加密的高阶QAM/QNSC信号星座图，图 本文设计了一种基于光通信物理层的密钥分发与加密控制
7（c）为进行解密的QPSK信号星座图。数据QPSK信号是被淹没在 系统，联合密钥产生与加密控制系统既可以传输信号，也可以
1024×1024QAM/QNSC信号中，经过200km传输后所得到的解密信
号。
图 8 传统 QPSK 与 QAM/QNSC 比较
传统QPSK与QAM/QNSC比较如图8所示。图8（a）使用相干
检测传输方案，比较了没有经过QAM/QNSC加密的传统QPSK传输
系统和QAM/QNSC加密系统。当传输速率为10Gbit/s，传输距离
光纤长度L为0～200km，每隔40km观测Q因子大小变化情况。
从图中可以看出，当传输距离L增加时，Q因子呈下降趋势，当
传输距离L为120km时，传统QPSK系统比QAM/QNSC系统Q因子高
1.4dB，但是传输距离L在200km时，QAM/QNSC传输系统的Q因子
为10.8dB，系统传输性能好。
如图8（b）所示，随着传输距离L的增加，传统QPSK系统
和QAM/QNSC系统BER呈上升趋势。传统QPSK系统和量子加密QAM/
QNSC误码率在200km内，使用量子加密系统BER变化较小，在低
密度校验码（LowDensityParityCheck，LDPC）编码纠错以后， 图 9 不同的发射功率和传输距离下 Q 因子变化比较
相干传输系统误码率都小于1E-4，保证了正常的传输通信。
不 同 的 发 射 功 率 和 传 输 距 离 下 Q 因 子 变 化 比 较 如
图 9 所 示 。 如 图 9 （ a ） 所 示 ， 在 Q A M / Q N S C 系 统 中 ， 展
示 了 当 传 输 距 离 L 为 1 2 0 k m 时 ， 对 应 的 掺 铒 光 纤 放 大 器
（ErbiumDopedFiberAmplifier，EDFA）发射功率和Q因子大小
变化关系。随着发射功率的增加，量子加密系统Q因子是先升高
后降低的。当EDFA发射功率大于4.5dBm时，QAM/QNSC传输系统Q
因子大于10dB，传输性能较好。发射功率在13dBm时，Q因子达
到最大。随着发射功率继续增加，Q因子逐渐下降，主要是由于
传输系统的非线性影响，导致Q因子先升高后降低。
图 10 Eve 截获基错误率与信息截获概率关系
如图9（b）所示，发射电压为350mV，EDFA发射功率为8dBm
时，传输速率为10Gbit/s，随着传输距离从0～200km增加时，每间
隔20km测量Q因子的大小，传输系统Q因子大小随着距离L的增加而
减小。当传输距离L为0～200km时，传输Q因子大于10dB，系统传输
性能良好。方案同时使用OFDM调制，频谱利用率得到了提高。
如图10所示，实验验证了0～200kmEve截获基的错误率，通
过Y-00加密映射安全传输Eve截获基的错误率基本接近于1，起
到了加密的效果。基的错误率指的是Eve获取密钥的错误率。随
着Eve窃取基的错误率曲线走势，截获距离L增加，Eve截获基的
错误率增加，截获错误率在96%以上。信息截获概率指的是Eve
获取信息的概率。在0～200km安全加密传输，随着距离L增加，
信息截获概率越低，安全性能越好。实验中的信息截获概率
图 11 密钥对系统安全性的影响
≤0.1%，系统的抗截获能力强，传输的安全性较好。
密钥对系统安全性的影响如图11所示，其中安全传输系
统的传输速率为10Gbit/s，加密格式为QAM/QNSC，调制方式
为相干调制。从图11中可以发现，随着密钥位数增加，信息
截获概率降低。Eve所得信息BER约为0.5。当密钥位数为8以
上，系统的调制阶数为1024×1024QAM时，信息截获概率小于
0.1%。系统通过调节密钥的长度控制生成的密钥速率，密钥
位数越大，密钥成码率越高，系统的安全性越好。本方案实
现简单，加密运算不复杂，系统运行速度很快，不会对传输
时延产生影响。

网络电信 二零二一年十一月 31