基于DPSK调制的光学物理层网络编码安全研究

陈佳龙，蔡茂国，陈 宁

(深圳大学信息工程学院，广东 深圳 518061)

1 引言

随着网络通信量的高速增长，人们一直在努力增加光纤的通信容量。一般使用两种方法，第一种是增加每个复用维数的信道数，例如，增加每个单位时间内的波长信道数或缩短符号周期。第二种是提高光谱效率，这包括同时使用多个复用技术[1]，比如时分、波分、外加偏振分复用[2]，使用先进的调制技术[3]等。到目前为止，多路复用技术中的所有可能的维数几乎都已被利用，光信道中的非线性效应加上香农极限等因素决定了光纤的容量[4]，所以需要利用创新的技术来进一步提高网络的效率和安全性能。网络编码(NC)应运而生。NC给网络带来的良好的鲁棒性[5]和安全性[6]的潜力引起了人们的关注，自NC提出起，就被探索和开发多种应用。特别是Mr.zhang提出的物理层网络编码(PNC)[7]可以显著地提高网络的吞吐量。

近年来，越来越多人将PNC技术应用在光纤通信中[8-12]。文献[9-10]中利用半导体光纤放大器(SOA)的非线性效应作为全光异或门在物理层实现网络编码。文献[9]中将两路信号在中继处耦合之后，分别解出两路信号进行处理，虽然是在光学物理层进行的操作，但是这还是属于传统的网络编码的范畴，并不是严格意义上的物理层网络编码。文献[12]中将PNC应用到波分复用中，想利用光波的功率和波形叠加在光信道中实现PNC，这样做需要使用多个波长，占用了信道资源，并且可以使用可调谐波长滤波器进行滤波，使得信道安全性也得不到保障。本文的方案通过将两个调制后相位不同的信号在物理层耦合在一起，并在中继处将耦合信号进行解调、相干检测得到异或数字信号，这是真正的光学PNC，因为这两个光信号具有相同的波长。换句话说，就是在网络编码之后，两个两个信号分量占据同一个信道，不能用传统的解复用方法进行分离。因此，可以充分利用波长资源，而且耦合处理后的信号为两个信号的异或形式，用传统的解复用方式完全无效。

2 物理层网络编码

物理层网络编码通常用来研究衰落信道下三点双向中继网络，如图1(a)所示，用户A和用户B需要通过中继来传递信息，当用户A与用户B同时通信的时候，用户A传递信息给中继为time1，中继将信息传给用户B为time2，用户B将信息传给中继为time3，中继将信息传给用户A为time4，两个用户之间传递信息需要四个时隙。而如图1(b)所示，用户A和用户B可以同时向中继传递信息为time1，在中继处将两个用户信息耦合在一起，处理成两个用户信息的异或形式，再将处理后的信息直接分发给两个用户为time2，每个用户都可以利用自己发送的信息与接收的信息进行抵消，就可以得到另一个用户的信息。这样的话，两个用户之间信息传递只需要两个时隙，吞吐量增加了1倍。

图1 信息交换方式

图2 是两个用户在同步和异步两个情况下对信息的编解码操作。如图2(a)所示，用户A和用户B将将传递的信息进行调制后同时传递给中继，中继将两路信息耦合后进行异或编码，并将编码后的信息分发给用户，两个用户将接收到的信息与自己发送的信息再次进行异或编码就可以另一个用户的信息。考虑到两个用户可能与中继的距离不相等，所以存在异步信息编码问题。如图2(b)所示，△t是用户A和用户B之间的脉冲时间偏差，当用户B与用户A存在比特偏移的时候，经过两次异或编码操作后，两个用户仍能恢复得到正确的信息。没有任何误差，说明了物理层网络编码在异或情况下仍能得到不错的性能。

图2 两用户在两种情况下信息编解码操作

3 光物理层网络编码系统分析

本实验是利用Optisystem 7.0为平台做的仿真设计，如图3为本文提出的基于DPSK调制的物理层网络编码的结构图。

(1)

代入光场强和功率的公式可得RZ的时钟信号的光场和功率为

(2)

(3)

其中Ein1(t)=|E0|ejωct+φ1。

第二级调制器的偏置电压Vbias=Vπ，数据信号峰值电压设置为2Vπ，则第二级驱动电压为

(4)

代入光场强和功率的公式可得占空比为33%的RZ-DPSK为

图3 基于DPSK调制的光物理层网络编码系统

(5)

(6)

当数据信号为0时，光场取负号，当数据信号为1时，光场取正号。设置占空比为66%的CSRZ-DPSK的信号和33%的DPSK信号参数大多一致，只是第一级调制器的偏置条件不同，需要第一级调制器的偏置电压Vbias=Vπ，第一级调制器的驱动电压为

(7)

代入光场强和功率的公式可得CSRZ的时钟信号的光场和功率为

(8)

(9)

其中Ein2(t)=|E0|ejωct+φ2

第二级调制器的偏置电压Vbias=Vπ，数据信号峰值电压设置为2Vπ，第二级驱动电压与33%的RZ-DPSK的驱动电压相同。代入光场强和功率的公式可得占空比为66%的CSRZ-DPSK为

(10)

(11)

当数据信号为0时，光场取负号，当数据信号为1时，光场取正号。两路信号调制后经过100km的单模光纤的传输到达中继，在中继区域将两路信号进行耦合，耦合后的信号为S(t)。混合信号的光场强和功率的公式为

(12)

(13)

因为调制后的两路信号相位不同，使得耦合后的信号相位会发生相应的改变，但强度基本不会发生改变，即在光时域上的波形基本不会发生变化。耦合后的信号S(t)经过100km的单模光纤分别传输给用户A和用户B，在接收端利用DPSK相位差分相干解调将差分相位信号转化为幅度信号。本文中是利用迈克尔逊干涉仪将输入光束分为两束，然后通过可控制时延τ使两束光重新组合。迈克尔逊干涉仪就是由两个Y型耦合器组成，主要分为三部分，即输入、输出和耦合区。

(14)

一般令Ein2=0，由于输入与输出组成相同，则传递函数为

H(f)=Hcoupler(f)HτHcoupler(f)

(15)

其中

(16)

其中a是输入和输出的分光比，通常为0.5。

(17)

(18)

然后再将其与自身发送的信息进行异或编码，就可以得到对方发送的正确信息，不失一般性，若以A用户为例，A用户最终接收的信息为

xa(n)⊕xb(n)⊕xa(n)=xb(n)

(19)

4 仿真结果与分析

4.1 同步操作

图4所示的是用户A、B两个用户在同步编解码的情况下不同传输速率的实验结果。图4(a)(h)和(b)(i)所示分别为用户A与用户B的传输信息比特，图4(c)(j)为两个用户信息的比特异或流，两个用户信息比特只要在不同的时候，才会为逻辑“1”，在相同的时候为逻辑“0”。图4(d)由于传输速率较小，为传输速率1Gb/s时的混合信号图，光纤传输中损耗并不大，从波形上看只有一些噪声影响，但是图4(k)由于传输速率增加到3Gb/s，光信号在光纤传输过程中的色散和损耗的增加，波形并没有图4(d)的好。图4 (e)(l)信号在中继处混合信号的相位图，图中以向下凹的波形为逻辑“0”，相位为π，以向上凸的波形为逻辑“1”，相位为0。图4 (f)为混合信号在中继进行DPSK解码后的波形图，由于传输速率为1Gb/s，且为同步编解码，信道也没有受到很大的干扰，所以波形图看起来效果很好。图4(g)为传输速率为1Gb/s下解码后的眼图，可以看出眼图展开明显，效果很好。前面提到由于传输速率的提高到3Gb/s，中继处两路混合后信号波形图4(k)并不够好，但是从解码后的示波器显示的波形图4(m)来看，效果并没有受到很大的影响，从眼图图4(n)就可以看出，虽然展开效果不如图4(g)，但是依旧展开效果良好，说明了该系统在高速率传输情况下仍具有不错的性能。

图4 不同传输速率下的实验结果

图5为系统在不同的传输速率下，中继处解码后的误码率在不同光源功率下的变化图像。由图可以看出，不管是在1Gb/s还是3Gb/s的传输速率下，误码率都是随着光源功率的增大而减少，而且减少的速率越来越快。更显而易见的是，在3Gb/s的传输速率下的误码率远比传输速率在1Gb/s下的要高得多，同样在1×10-8的误码率时，3Gb/s的传输速率要比1Gb/s所需光源的功率要高出8dBm左右，可以看出在整个系统中，3Gb/s的传输速率下的功率损耗要比1Gb/s高得多。

图5 不同传输速率下的误码率

4.2 异步操作

由于两个用户与中继距离的不同，使得在中继处两个信号混合时存在着异步的情况。图6为两个用户在延时比特分别为0.25bit和0.5bit的异步情况下传输速率为1Gb/s的实验结果。图6(a)和(h)为用户A的信息比特流，(b)与(i)为用户B的信息比特流，(c)与(j)为两个用户信息的异或比特流。图6(d)(k)与(e)(f)分别为0.25bit时延和0.5bit时延的混合信号波形图与相位图，由于延时比特的增加，可以看出混合信号的噪声越来越大，但是如图6(f)与(m)所示，经过DPSK解调之后，依旧能够得到正确的异或信息波形。由图6(g)和(n)的解码后的眼图可以看出，眼图展开情况很好，说明了OPNC在异步情况下仍然有很好的性能。

图6 传输速率1Gb/s时两个用户不同时间偏移量下的异步实验结果

与上文相似，图7为两个用户在延时比特分别为0.25bit和0.35bit的异步情况下输速率为1Gb/s的实验结果。图7(a)和(h)为用户A的信息比特流，(b)与(i)为用户B的信息比特流，(c)与(j)为两个用户信息的异或比特流。图7(d)(k)与(e)(f)分别为0.25bit时延和0.5bit时延的混合信号波形图与相位图，与传输速率1Gb/s的相比，由于传输速率的增加，噪声明显增加，中继处混合后的波形也变得不规则，但是从经过解码、滤波之后得到的波形图图7(f)与(m)可以看出，尽管经过高速率的传输与延时异步的影响，系统仍能解码得到正确的异或波形。从图7(g)与(n)可以看出，眼图随着延时的增加，展开情况越来越差，但是仍有不错的展开效果，说明了OPNC在高速率的异步情况下也能达到不错的效果。

图7 传输速率3Gb/s时两个用户不同时间偏移量下的异步实验结果

图8为传输速率为1Gb/s时不同bit延迟下的误码率。根据图8可以看出，随着光源功率的增加，误码率不断的减少，这和同步操作时候的结果一样。但不同的是，可以看出随着bit延迟的增加，相同的误码率，需要的光源能量越来越大，由图中可以看出，在误码率同为1×10-8时，同步操作和延迟0.1bit所需的光源功率相差无几，但是比延迟0.2bit和0.25bit所需的光源功率分别要低0.4dBm和1.5dBm，延迟达到0.5bit时，光源所需功率大大增加，在误码率同为10-8时，比延迟0.25bit所需功率增加了5.7dBm。从误码率曲线的弯曲程度可以看出，bit延迟越大，曲线斜率越小，到0.5bit延迟时，误码率曲线会一直减小到一个定值。

图8 传输速率1Gb/s时不同bit延迟下的误码率

和传输速率1Gb/s的误码率结果相比，图9可以看出，两者结果都有相似的结论。随着光源功率的增加，误码率越来越小。误码率曲线的斜率随着bit延迟的增加而减小，达到0.5bit延迟时，误码率曲线斜率在1×10-7处几乎已经趋近于0，误码率不再随着光源功率的增加而继续减少。不同的是，传输速率为3Gb/s的情况下，随着bit延迟的增加，在误码率同为1×10-8时，同步操作需要的光源功率比0.1bit延迟要低0.6dBm，比0.2bit延迟和0.25bit分别低2dBm和3.5dBm，说明了3Gb/s的传输速率下延迟bit的功率损耗要比1Gb/s高得多。

图9 传输速率3Gb/s时不同bit延迟下的误码率

5 总结

本文提出了一种基于DPSK信号的共通道光物理层网络安全编码方案，方案采用两个DPSK信号在中继处耦合实现物理层网络编码。不需要符号级的时域同步，允许一定的比特时延，增加了系统的容错率和稳定性。物理层网络编码信号中的两个信号分量占用同一信道，不能用传统的解复用方法进行分离，增加了中继到用户之间的传输链路的安全性。