基于信息论的OCDMA系统物理层安全研究

发布时间：2020-04-20 16:59

【摘要】：光纤通信系统因其具备频带宽、传输容量大、损耗小、抗干扰能力强等许多独特的优点,在商业和军事通讯领域得到了普遍的应用。随着科学技术的快速发展,光纤传输系统存在着严重的安全隐患。例如,窃听者可以通过弯曲光纤耦合出小部分光信号,而且不容易被合法用户察觉。目前,常见的三种安全加密方案有传统的算法加密、量子密钥分发和物理层加密。传统的光网络安全采用网络上层协议的数据加密,并假设物理层已提供畅通且无差错的传输。然而,所有通过算法构成的加密手段都已证明是能够被破译的。量子密钥分发受物理机制的限制,目前仅适合于低速率(1Mb/s)的传输。因此,物理层加密可以作为一种折衷方案,实现长距离大容量的传输,其安全性是信息论安全。物理层安全性作为光码分多址(Optical Code Division Multiple Access,OCDMA)技术一个重要的性能,可以提高光纤系统防御窃听者攻击的能力。因此,本文从信息论安全的角度出发,精确定量分析OCDMA系统的物理层安全性能。本文主要的研究工作可以概括为以下几点:1)从信息论安全的角度出发,分析多用户相干OCDMA系统的物理层安全性能。通过建立OCDMA系统搭线信道模型,定量分析窃听者获取合法用户的信息量比例,采用保密容量、安全泄漏因子和安全接收距离来研究与评估物理层安全。在满足合法用户误码率和安全泄漏因子的前提下,研究OCDMA系统的物理层安全性能与抽取比例、抽取距离、用户数以及码长的关系。例如,当窃听者抽取比例为0.5%时,给定安全泄漏因子η?0.1%和合法用户的误码率(Bit Error Rate,BER)BER?10-9,同时用户数的个数范围必须在2到4之间,这样才正好满足安全性与可靠性的要求。2)提出两种方案来增强OCDMA系统的物理层安全性能:一种是通过控制干扰信号功率来提高系统的物理层安全性能,通过建立有功率控制的单用户相干OCDMA系统搭线信道模型,研究分析功率控制对相干OCDMA系统物理层安全的影响。在相同抽取比例下,抽取距离越小,安全泄漏因子改善效果越好。当同时满足合法用户的可靠性和安全性时,通过功率控制可以获得更大的安全接收距离。例如,当窃听者抽取比例为1%,安全泄漏因子分别为0.01%,0.05%时,?(28)1,安全接收距离分别为20.5km,48.5km。当?(28)1.4时,安全接收距离分别为23.9km,100km。另一种是构建基于LA码的准同步相干OCDMA系统的搭线信道模型,与Gold码进行对比分析,研究窃听者在不同抽取比例、不同抽取距离以及不同用户数的情况下对系统物理层安全性能的影响。数值仿真结果表明,基于LA码的准同步相干OCDMA系统要比Gold码相干OCDMA系统的物理层安全性能要好。例如,当窃听者抽取比例为1%,抽取距离为5km,用户数为3时,LA码的安全泄漏因子为0.0083%,Gold码的安全泄漏因子为0.375%。
【图文】：

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图 1-1 窃听信道模型听信道模型中，我们把主信道定义为信源和合法用户之间的传输信道道。把窃听信道定义为信源和窃听用户之间的传输信道。Wyner 证明容量质量好于窃听信道容量时，合法用户双方肯定能以一个非零的传信。信息论角度的物理层安全研究是以系统的保密容量为衡量标等都对其做了深入研究。为了能够衡量信道状态信息不完整的系统的文献[47]给出了一个保密中断概率(Security Outage Probability, 是保密容量低于某个给定的保密速率阈值的概率。文献[47-48]中，息不完整的情况下，无法得到其对应的保密容量，因而采用保密中断信的安全性。物理层安全问题与信道模型、信道状态信息密切相关，具有重要的意义。网络物理层安全研究现状

系统结构图,系统结构图

基于信息论的 OCDMA 系统物理层安全研究第 2 章 OCDMA 系统与物理层安全介绍2.1 OCDMA 系统介绍2.1.1 OCDMA 系统结构OCDMA 技术是在光通信领域的一种扩频技术，，该技术克服了传统通信领域的电子瓶颈，抗干扰能力强，可用于实时保密通信。OCDMA 技术是从电域 CDMA 技术的基础上发展过来的，二者的基本原理相似，都是先通过分配一个唯一的地址码来区分各个用户，对需要传输的数据信息编码后进行传输。典型的多用户 OCDMA 系统结构[21]如图 2-1 所示。
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.11

【参考文献】