OFDM-PON系统中基于信道相位信息的动态加密方案
发布时间：2022-01-04 23:49
针对正交频分复用无源光网络（OFDM-PON）中静态密钥产生的风险,提出一种以信道相位信息作为动态密钥的物理层混沌加密方案。通信双方在相干时间内估计上下行信道相位,得到混沌密钥初值;利用一维混沌系统生成的混沌密钥流对下行数据进行异或（XOR）加密和解密。该方案所得到的动态密钥随着时间的改变而不断更新,因此物理层的安全性能得到提升。实验结果表明,速率为3.625 Gb/s的16QAM的光OFDM信号经长度为25 km标准单模光纤（SSMF）传输后,通信双方的密钥具有良好的一致性,密钥空间达到1015,系统传输的安全性得到有效增强,可成功阻止非法用户对传输数据的窃听。
【文章来源】：光学学报. 2020,40(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
动态密钥生成框图。
为验证所提加密算法的安全性能,搭建了一个用于密钥生成及混沌加密的OFDM-PON系统,实验结构如图2所示。本文采用的是全双工强度调制/直接检测(IM/DD)OFDM-PON传输系统。整个系统分为两个部分,一是用于密钥生成,二是用于下行数据加密。在密钥生成阶段,OLT和ONU1分别向对方发送OFDM信号以估计信道,其中每个OFDM符号由64个子载波组成,数据子载波为56个,其余为虚拟子载波,用作保护间隔。在进行快速傅里叶逆变换(IFFT)之前,需要对OFDM信号进行共轭运算,最终有效数据子载波为28个。实验系统每隔5 min进行一次信道估计以更新密钥。
为了验证光纤信道的可用性,测量了不同时间下的子载波信道相位。为了曲线的清晰与美观,同时不失一般性,取每隔5个子载波的子载波,研究其相位随时间的变化趋势,结果如图3所示。第1号和第32号子载波是空子载波,不用于信道估计,同时为保证选取的子载波间隔均匀,故从第7号子载波开始。实验所得的其他子载波的信道相位变化趋势同图3的5个子载波基本一致。从图3可以看出:由于光纤信道比较稳定,正常情况下相位的变化比较平稳;但OFDM信号的第31号子载波频率高,而高频受噪声影响较大,估计出的信道不准确,所以其信道变化大且不规律。因此将第31、32号子载波作为虚拟子载波。上述结果表明,在生成密钥时,选择特性较好的子载波信道同时控制好量化精度,则利用所得到的量化相位值能分辨出相位的变化,这也为利用信道相位实现动态密钥提供了可能。图4显示了两个不同ONU的子载波信道相位,为不失一般性,取每隔10个子载波的子载波,研究其相位随时间的变化趋势,其余子载波信道变化趋势与图4基本一致。从图4可以看出,不同时间下的不同ONU得到的信道相位值不同。每隔一段时间进行相位测量和估计,由于信道噪声是随机变化的,因此某些时刻的相位可能呈现明显变化。图4中前20号子载波在24 min内的变化趋势一致,之后相位变化趋势出现不同,其他子载波信道的变化趋势也存在差异。因此,不同信道的相位不同,从而保证了不同ONU具有不同的密钥,并且非法ONU很难通过信道的有效信息得到合法ONU的密钥。当密钥不同时,混沌系统所生成的密钥流也将不同且不可预测,这有效保证了加密系统的安全性。
【参考文献】：
期刊论文
[1]OFDM-PON系统中一种抑制峰均功率比的安全算法[J]. 韩梦欣,吴雅婷,张倩武,孙彦赞. 光学学报. 2019(05)
本文编号：3569299
【文章来源】：光学学报. 2020,40(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
动态密钥生成框图。
为验证所提加密算法的安全性能,搭建了一个用于密钥生成及混沌加密的OFDM-PON系统,实验结构如图2所示。本文采用的是全双工强度调制/直接检测(IM/DD)OFDM-PON传输系统。整个系统分为两个部分,一是用于密钥生成,二是用于下行数据加密。在密钥生成阶段,OLT和ONU1分别向对方发送OFDM信号以估计信道,其中每个OFDM符号由64个子载波组成,数据子载波为56个,其余为虚拟子载波,用作保护间隔。在进行快速傅里叶逆变换(IFFT)之前,需要对OFDM信号进行共轭运算,最终有效数据子载波为28个。实验系统每隔5 min进行一次信道估计以更新密钥。
为了验证光纤信道的可用性,测量了不同时间下的子载波信道相位。为了曲线的清晰与美观,同时不失一般性,取每隔5个子载波的子载波,研究其相位随时间的变化趋势,结果如图3所示。第1号和第32号子载波是空子载波,不用于信道估计,同时为保证选取的子载波间隔均匀,故从第7号子载波开始。实验所得的其他子载波的信道相位变化趋势同图3的5个子载波基本一致。从图3可以看出:由于光纤信道比较稳定,正常情况下相位的变化比较平稳;但OFDM信号的第31号子载波频率高,而高频受噪声影响较大,估计出的信道不准确,所以其信道变化大且不规律。因此将第31、32号子载波作为虚拟子载波。上述结果表明,在生成密钥时,选择特性较好的子载波信道同时控制好量化精度,则利用所得到的量化相位值能分辨出相位的变化,这也为利用信道相位实现动态密钥提供了可能。图4显示了两个不同ONU的子载波信道相位,为不失一般性,取每隔10个子载波的子载波,研究其相位随时间的变化趋势,其余子载波信道变化趋势与图4基本一致。从图4可以看出,不同时间下的不同ONU得到的信道相位值不同。每隔一段时间进行相位测量和估计,由于信道噪声是随机变化的,因此某些时刻的相位可能呈现明显变化。图4中前20号子载波在24 min内的变化趋势一致,之后相位变化趋势出现不同,其他子载波信道的变化趋势也存在差异。因此,不同信道的相位不同,从而保证了不同ONU具有不同的密钥,并且非法ONU很难通过信道的有效信息得到合法ONU的密钥。当密钥不同时,混沌系统所生成的密钥流也将不同且不可预测,这有效保证了加密系统的安全性。
【参考文献】：
期刊论文
[1]OFDM-PON系统中一种抑制峰均功率比的安全算法[J]. 韩梦欣,吴雅婷,张倩武,孙彦赞. 光学学报. 2019(05)
本文编号：3569299
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