混沌光纖通信研究進(jìn)展與展望

姚俊良, 孫郁哲, 任海鵬(西安理工大學(xué) 陜西省復(fù)雜系統(tǒng)控制與智能信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710048)

隨著人們對(duì)高信息傳輸速率的需求和信息量的急劇增長(zhǎng),信息的高速、高效和安全傳輸,成為通信領(lǐng)域的核心問題。

目前通信的骨干網(wǎng)、接入網(wǎng)等均采用光纖作為傳輸載體。近日,烽火科技在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)560 Tb/s超大容量波分復(fù)用及空分復(fù)用的光傳輸系統(tǒng)試驗(yàn),可以實(shí)現(xiàn)一根光纖上67.5億對(duì)人(135億人)同時(shí)通話,這標(biāo)志著我國(guó)在“超大容量、超高速率、超長(zhǎng)距離”光通信領(lǐng)域邁向了新的臺(tái)階[1]。然而,傳統(tǒng)的光通信系統(tǒng)將信息調(diào)制在周期載波上,通過數(shù)值方法在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層(接入層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層)對(duì)信息進(jìn)行加密,由于系統(tǒng)自身原因或人為因素,數(shù)據(jù)信息可能出現(xiàn)外泄或被非法篡改,從而造成嚴(yán)重的安全隱患。因此,人們開始關(guān)注更高安全性的光通信技術(shù)。

混沌是確定性非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的一類隨機(jī)現(xiàn)象,它具有偽隨機(jī)、寬頻帶和長(zhǎng)期不可預(yù)測(cè)等特性。將信息隱藏在混沌波形中可以提升信息傳輸?shù)陌踩?。與高層加密算法相比,基于混沌的保密通信是一種物理層的加密技術(shù),只有當(dāng)接收者擁有與發(fā)射機(jī)相同的參數(shù)時(shí),才能夠恢復(fù)出信息。

自從1990年混沌同步[2]被提出以來,基于同步的混沌安全通信成為研究的熱點(diǎn)。最近研究表明,當(dāng)接收端采用簡(jiǎn)單硬件實(shí)現(xiàn)的匹配濾波器時(shí),混沌波形能夠最大化輸出信噪比[3-4],這為基于混沌的低誤碼、高可靠傳輸?shù)於嘶A(chǔ)。但同時(shí),混沌也對(duì)通信系統(tǒng)提出了更高的要求:載波級(jí)同步、超大帶寬、高動(dòng)態(tài)高維度硬件設(shè)備等。從以上描述可以看出,混沌能夠提供光傳輸所需的安全性和可靠性,光纖能夠滿足混沌通信所需的高帶寬、高動(dòng)態(tài)、易生成、易同步等要求。因此,混沌光傳輸系統(tǒng)成為近年來光纖通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[5-10]。

本文將結(jié)合混沌光纖通信研究的幾大主要問題,對(duì)近年來提出的相關(guān)方法進(jìn)行全面總結(jié),具體包括混沌光源的生成、基于同步的傳輸方案和混沌加密方案三方面內(nèi)容。針對(duì)不同問題,分析各類方法的特點(diǎn),最后結(jié)合混沌理論的最新發(fā)展情況,討論了未來混沌光纖通信領(lǐng)域的進(jìn)一步研究?jī)?nèi)容。

1 混沌光源的生成

傳統(tǒng)光纖通信采用的激光器工作在連續(xù)波的穩(wěn)定狀態(tài),因此,需要通過抑制光反饋或減少外光注入來減少激光器的輸出不穩(wěn)定。而混沌激光器剛好相反,通過對(duì)激光器施加不同的外部擾動(dòng),使激光器的輸出可以表現(xiàn)為周期、準(zhǔn)周期、混沌的特性,這也是所有混沌光源生成的理論基礎(chǔ)。

目前,混沌光源設(shè)計(jì)主要基于兩類基本模型:一是Lang-Kobayashi(LK)半導(dǎo)體激光器速率方程,二是非線性時(shí)延動(dòng)態(tài)方程。

1.1 基于Lang-Kobayashi半導(dǎo)體激光器速率方程 的混沌光源生成

1980年Lang和Kobayashi通過實(shí)驗(yàn)[11]研究光反饋情況下,半導(dǎo)體激光器的輸出光強(qiáng)和載波密度隨反饋時(shí)延、反饋強(qiáng)度、反饋速率的變化。發(fā)現(xiàn)在不同的反饋參數(shù)下,輸出光強(qiáng)和載波密度分別滿足方程:

(1)

通過對(duì)式(1)分析可知,不同的反饋參數(shù)使得激光器輸出具有不同特性,包括穩(wěn)定的周期性和不穩(wěn)定的混沌特性?；贚K速率方程及其擴(kuò)展形式,學(xué)者們?cè)O(shè)計(jì)了不同形式的混沌激光器。

1) 外腔反饋半導(dǎo)體激光器

這種方式是在激光器外部放置反饋器件,將激光器發(fā)出的激光再反射回激光器,通過控制反饋的幅度、相位和時(shí)延,從而產(chǎn)生混沌激光[5,12-13]。圖1為外腔反饋半導(dǎo)體激光器原理圖。

圖1 外腔反饋半導(dǎo)體激光器原理圖Fig.1 Schematic of external cavity feedback semiconductor laser

2) 光纖環(huán)激光器

光纖環(huán)激光器[6,14]原理圖如圖2所示。這種方式是在激光器外部利用一個(gè)幅度、極化、時(shí)延可控的光纖環(huán)路與激光器輸出進(jìn)行耦合,來產(chǎn)生混沌激光。

圖2 光纖環(huán)激光器Fig.2 Fiber ring laser

1.2 基于非線性時(shí)延動(dòng)態(tài)方程的混沌光源生成

非線性時(shí)延動(dòng)態(tài)可用一階微分方程來進(jìn)行數(shù)學(xué)描述:

(2)

式中,y(t)為輸出信號(hào);β為放大因子;τp為響應(yīng)時(shí)間;τR為時(shí)延間隔;f[·]表示作用于時(shí)延動(dòng)態(tài)變量y(t-τR)上的非線性函數(shù)。

式(2)所描述的動(dòng)態(tài)輸出展示出非常復(fù)雜的混沌特性(具有任意高維度的吸引子),并且非線性函數(shù)的不同表示,使得輸出具有不同的混沌特性。基于上述非線性時(shí)延動(dòng)態(tài)方程,學(xué)者們給出了對(duì)應(yīng)的混沌光源設(shè)計(jì)。

1) 基于環(huán)形腔的混沌光源設(shè)計(jì)

最早的基于非線性時(shí)延動(dòng)態(tài)方程[15]的混沌光源結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中各個(gè)模塊與式(2)的一階微分方程嚴(yán)格對(duì)應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,利用該結(jié)構(gòu)能夠得到足夠高維度(大于80)的混沌輸出。圖3中,x(t)為反饋信號(hào)。

圖3 環(huán)形腔結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of the ring cavity

2) 基于Ikeda結(jié)構(gòu)和光電反饋的混沌光源設(shè)計(jì)

該類光源設(shè)計(jì)原理[16]如圖4所示,J為初始輸入電流。從半導(dǎo)體激光器(LD)輸出的光,首先被光電二極管(PD)轉(zhuǎn)換成電流JT(t),該電流經(jīng)過時(shí)延τR和非線性函數(shù)f[·]后輸出為JF(t)=f[JT(t-τR)],再與初始電流合并,作為L(zhǎng)D的輸入。

圖4 光電反饋混沌激光器原理圖Fig.4 Schematic of optoelectronic feedback chaotic laser

3) 基于Ikeda結(jié)構(gòu)、光電反饋和MZ干涉儀的混沌光源設(shè)計(jì)

Mach—Zehnder interferometer (MZ)是一個(gè)集成的光電干涉儀。將MZ干涉儀和圖3所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)合,是目前應(yīng)用最廣泛的光電反饋混沌激光器[7,10,17]。

4) 基于逆時(shí)間混沌的混沌光源設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[18]給出一種新的混沌光源實(shí)現(xiàn)方法?？烧{(diào)激光源生成的光信號(hào)經(jīng)過極化控制后,與高速二進(jìn)制信息比特一起注入光電干涉儀MZM進(jìn)行調(diào)制,光電干涉儀工作在線性狀態(tài),其輸出為周期光載波。再通過混沌匹配濾波器,將周期光載波轉(zhuǎn)換為具有混沌特性的光載波,從而實(shí)現(xiàn)混沌光源的生成。本方案的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)一個(gè)具有混沌特性的匹配濾波器,得益于高速光濾波器技術(shù)的發(fā)展,混沌匹配濾波器得以實(shí)現(xiàn)。

2 基于同步的混沌光纖傳輸方案

2.1 混沌光同步

混沌傳輸?shù)那疤崾鞘瞻l(fā)端同步,按照發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的參數(shù)是否完全一致,可以分為完全同步和廣義同步。實(shí)際中,由于收發(fā)端激光器參數(shù)不可避免存在一定偏差,因此完全同步幾乎不可能,更多的是使用廣義同步。廣義同步根據(jù)接收機(jī)是否帶有外部反饋,又可分為開環(huán)同步和閉環(huán)同步。

文獻(xiàn)[19]利用基于外腔反饋半導(dǎo)體激光器的通信系統(tǒng),對(duì)混沌光通信系統(tǒng)的閉環(huán)同步性能進(jìn)行了分析。從分析結(jié)果可以看出,收發(fā)端反饋相位差對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)的同步性能影響很大。文獻(xiàn)[20]利用仿真比較了開環(huán)和閉環(huán)兩種系統(tǒng)的同步性能，結(jié)果顯示,相比于開環(huán)系統(tǒng),閉環(huán)系統(tǒng)具有更好的同步性能,并且不易受載波偏差的影響,但缺點(diǎn)是達(dá)到同步態(tài)的時(shí)間太慢(50～200 ns),開環(huán)系統(tǒng)達(dá)到同步態(tài)的時(shí)間為50～350 ps,兩者差了1 000倍。文獻(xiàn)[21]利用實(shí)驗(yàn)對(duì)上述兩種系統(tǒng)進(jìn)行了比較,結(jié)果表明,在實(shí)際系統(tǒng)中,開環(huán)的魯棒性要優(yōu)于閉環(huán)系統(tǒng),原因是實(shí)際中,閉環(huán)系統(tǒng)的收發(fā)端參數(shù)很難完全一致,這給閉環(huán)系統(tǒng)同步性能帶來較大影響。

綜上所述,實(shí)際系統(tǒng)中,開環(huán)同步的實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單,并且其魯棒性要優(yōu)于閉環(huán)性能,因此后續(xù)的大部分實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)都采用開環(huán)同步。

2.2 混沌光通信系統(tǒng)的信息編解碼方法

通信的主要目的是傳遞信息,因此在建立收發(fā)同步的基礎(chǔ)上,需要研究利用信息比特對(duì)混沌光載波進(jìn)行編碼以及接收端的對(duì)應(yīng)解碼方法。目前混沌光通信的信息編解碼都采用相干調(diào)制解調(diào)[22],具體算法包括:混沌隱藏[23]、混沌調(diào)制[7]和混沌鍵控[24-25]。

1) 混沌隱藏

混沌隱藏原理如圖5所示,它將輸入的信息s(t)與光發(fā)射機(jī)輸出的混沌載波c(t)進(jìn)行疊加得到r(t),當(dāng)信息功率遠(yuǎn)小于載波功率時(shí),達(dá)到信息隱藏的目的。

圖5 混沌隱藏系統(tǒng)模型Fig.5 Chaotic masking system model

上述編碼過程結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,是混沌光通信中最常見的方式。接收端輸出為不包含信息的混沌載波c′(t),通過與來自光纖的接收信息相減,即可恢復(fù)出源信息s′(t)。

2) 混沌調(diào)制

混沌調(diào)制原理如圖6所示。與混沌隱藏不同的是,模擬信息信號(hào)m(t)被注入到混沌發(fā)射機(jī)以改變其動(dòng)態(tài)過程,因此,混沌載波中包含了信息。接收端通過探測(cè)動(dòng)態(tài)信息的改變,來恢復(fù)出m′(t)。

圖6 混沌調(diào)制系統(tǒng)模型Fig.6 Chaotic modulation system model

3) 混沌鍵控

圖7 混沌鍵控系統(tǒng)模型Fig.7 Chaos shift keying system model

三種混沌編碼方法的具體比較如表1所示。

表1 三種信息編碼方法的比較Tab.1 Comparison of three methods for information encoding

3 混沌加密方案

混沌用于光纖通信的首要目的是提升通信安全性,主要途徑是物理層混沌加密。目前混沌加密方案主要分為模擬加密、數(shù)字加密和混合加密三類。模擬加密方法利用混沌作為載波,接收端基于載波同步來提取信息;數(shù)字加密方法是利用混沌來生成密鑰,對(duì)信息的不同層面進(jìn)行加密,但載波依然是正弦光載波;混合加密是兩者的結(jié)合。以下分別對(duì)這三類加密方案的研究情況進(jìn)行描述。

3.1 模擬加密

前文介紹的所有基于混沌載波的光通信,都屬于模擬加密方法[26-27],因此這里就不再贅述。但模擬加密存在一個(gè)不足,即時(shí)延簽名(Time Delay Signature,TDS)。竊密者利用統(tǒng)計(jì)處理方法可以很容易從接收信號(hào)中提取TDS,進(jìn)而獲取載波的同步信息,因此如何消除TDS是模擬加密的主要研究?jī)?nèi)容[10,26]。

3.2 數(shù)字加密

該類加密方法并非采用混沌載波,而是利用混沌生成密鑰,對(duì)信息的不同層面進(jìn)行加密[28-32]?？偨Y(jié)目前的文獻(xiàn)內(nèi)容發(fā)現(xiàn),數(shù)字加密一般都與正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)系統(tǒng)相結(jié)合。這主要有兩方面原因,一是因?yàn)镺FDM系統(tǒng)的頻帶利用率高,被現(xiàn)有光纖通信廣泛采用;二是OFDM的可調(diào)維度較多(子載波、同步碼、數(shù)字調(diào)制符號(hào)等),更能發(fā)揮混沌密鑰的保密性。

文獻(xiàn)[28]利用Chen電路來生成3D混沌序列,分別用于OFDM幀的時(shí)間同步、載波相位隱藏和控制分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的階數(shù),這三個(gè)維度都可以提升安全性。結(jié)果發(fā)現(xiàn),加密后的OFDM傳輸性能要優(yōu)于非加密OFDM,這是因?yàn)榛煦缂用芙档土薕FDM系統(tǒng)的峰均比,并且存在編碼增益。另外,可以采用混沌序列對(duì)OFDM符號(hào)進(jìn)行交織,降低特定載波上的干擾。

文獻(xiàn)[29]在正交幅度調(diào)制的同相和正交兩路對(duì)應(yīng)符號(hào)上分別乘以混沌密鑰。傳輸方式為OFDM,無線載波頻率為4.25 GHz,然后將上載波信號(hào)再放到傳統(tǒng)光載波上進(jìn)行安全光纖傳輸。

文獻(xiàn)[30]～[32]利用數(shù)字混沌序列對(duì)數(shù)字調(diào)制后的星座圖、子載波順序進(jìn)行重新排列來達(dá)到加密的目的。

此類加密方法與傳統(tǒng)算法密鑰比較接近,區(qū)別在于可以生成維度更高的混沌密鑰,但數(shù)字混沌也存在周期性,仍無法做到絕對(duì)安全。最近有學(xué)者提出用混合加密方法來克服模擬混沌時(shí)延簽名和數(shù)字混沌周期性的缺點(diǎn)。

3.3 混合加密

由上文可以看出,模擬加密和數(shù)字加密有各自的優(yōu)缺點(diǎn),因此,文獻(xiàn)[33]研究提出綜合利用兩者特性的混合加密方案,數(shù)字混沌的周期性被模擬混沌隱藏,模擬混沌的時(shí)延簽名被數(shù)字混沌消除。利用這個(gè)思想,進(jìn)行上下行的保密傳輸,但上下行加密的思路不同,下行是在光域加密,上行是在電域加密。

綜上,基于混沌的模擬加密和數(shù)字加密區(qū)別在于,前者采用混沌載波,而后者采用正弦載波。從加密層次來講,模擬加密主要是對(duì)通信波形進(jìn)行加密,而數(shù)字加密是對(duì)通信信息進(jìn)行加密。從實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度來講,模擬加密需要接收端進(jìn)行混沌同步,因此實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度更高,數(shù)字加密類似傳統(tǒng)的算法加密,不需要混沌同步,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度相對(duì)較低。

4 商用光纖網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試

從目前所掌握的文獻(xiàn)資料來看,已有兩個(gè)商用光纖網(wǎng)絡(luò)成功進(jìn)行了混沌光通信實(shí)驗(yàn),分別是位于希臘雅典的三環(huán)光纖網(wǎng)絡(luò)和法國(guó)貝桑松的單環(huán)光纖網(wǎng)絡(luò),如圖8所示。

圖8 混沌光纖通信測(cè)試場(chǎng)景Fig.8 Test scenarios of chaotic optical communication

4.1 實(shí)驗(yàn)一(2005年)

2005年,在圖8(a)所示的三環(huán)光纖網(wǎng)絡(luò)[7]中對(duì)基于混沌的高速率光纖通信性能進(jìn)行測(cè)試,比較了光電反饋和全光反饋兩種混沌光載波生成方案的性能。在光電反饋方案中,發(fā)射端采用光電反饋和混沌調(diào)制來生成混沌激光和信息編碼,系統(tǒng)帶寬為7 GHz,信息速率為3 Gbps。在全光反饋方案中,發(fā)射端采用光反饋和混沌隱藏來生成混沌激光和信息編碼,系統(tǒng)帶寬為5 GHz,信息速率為1 Gbps。兩種方案的接收端都采用混沌同步技術(shù)來產(chǎn)生與發(fā)射端一致的混沌載波,實(shí)現(xiàn)信息的相干解調(diào)和解碼。通過在圖8(a)所示的網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸,兩種方案的系統(tǒng)誤碼率都低于1×10-7。隨著信息速率的提升,實(shí)測(cè)系統(tǒng)誤碼率性能惡化明顯,這主要是因?yàn)槭瞻l(fā)端混沌同步性能下降,影響了系統(tǒng)接收性能。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),混沌傳輸對(duì)于信道變化和外界擾動(dòng)更加具有魯棒性,更加適用于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的高速信息傳輸。

4.2 實(shí)驗(yàn)二(2009年)

2009年秋,在圖8兩個(gè)商用光纖網(wǎng)絡(luò)[34]中對(duì)相位混沌的性能進(jìn)行了測(cè)試。

在圖8(b)所示網(wǎng)絡(luò)中,收發(fā)端采用相位混沌編解碼方法,實(shí)現(xiàn)了信息速率10 Gbps,誤碼率小于3×10-10的傳輸。該實(shí)驗(yàn)證實(shí)了光纖色散特性對(duì)傳輸性能影響很大,需要精確調(diào)節(jié)色散補(bǔ)償模塊和功率放大才能夠?qū)崿F(xiàn)信息的正確恢復(fù)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步評(píng)估了鏈路極化對(duì)傳輸?shù)挠绊?在實(shí)際系統(tǒng)中一定要合理使用極化控制器。此外,沒有發(fā)現(xiàn)光纖信道其它特性對(duì)混沌信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽?/p>

同年,在圖8(a)所示網(wǎng)絡(luò)中,收發(fā)端采用相位混沌編解碼方法,實(shí)現(xiàn)了速率10 Gbps,誤碼率小于1×10-6的傳輸。網(wǎng)絡(luò)中包含兩個(gè)摻鉺光纖放大器(EDFA)和兩個(gè)色散補(bǔ)償模塊,傳輸中需要保證所有光纖固定,極化狀態(tài)不能改變。當(dāng)信息速率為3 Gbps時(shí),誤碼率小于1×10-10。

比較上述兩組實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),相位混沌(混沌調(diào)制)相比于幅度調(diào)制能夠達(dá)到更高的傳輸速率,但其受光纖信道特性影響(特別是光纖色散)較大,而基于光電反饋和混合調(diào)制編碼的方法在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中具有更好的魯棒性。

5 結(jié)語與展望

綜上所述,經(jīng)過二十多年的研究,基于同步的混沌光纖通信理論與方法已經(jīng)相對(duì)比較成熟,許多實(shí)用化的技術(shù)在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中取得了不錯(cuò)的效果。但依然存在兩個(gè)重要的問題需要解決:一是基于同步的方法對(duì)系統(tǒng)的精度和復(fù)雜度提出了很高的要求,從已有文獻(xiàn)分析可以看出,即使在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境中,混沌同步性能受光纖信道及收發(fā)端參數(shù)不一致的影響已經(jīng)很大,正是由于這個(gè)原因,商用光纖網(wǎng)絡(luò)中混沌通信的速率要低于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試速率;二是混沌載波具有寬頻特性,在相同帶寬下的通信速率反而不如傳統(tǒng)正弦載波通信方式。

為了更加有效地發(fā)揮混沌光纖通信的技術(shù)優(yōu)勢(shì),在已有研究基礎(chǔ)上,可從兩個(gè)方面開展未來的研究。

1) 非同步傳輸方案。目前混沌光纖通信都是基于收發(fā)同步,這雖然能夠提升安全性能,但從現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試結(jié)果看,載波級(jí)的精確同步實(shí)際中很難完全實(shí)現(xiàn),使得其實(shí)際性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試性能。而非同步的傳輸不需要收發(fā)端同步,接收端利用混沌匹配濾波器或差分混沌鍵控等方式就能夠恢復(fù)信息,避免了上述問題。因此,研究適用于光纖信道的高速率非同步混沌通信系統(tǒng),是一個(gè)重要的研究方向。

2) 基帶混沌及其信道自適應(yīng)均衡技術(shù)。為了提升混沌光纖通信的頻帶利用率,使用混沌作為基帶波形是一個(gè)比較好的解決思路。另外,在長(zhǎng)距離傳輸過程中,光纖信道特性對(duì)其中傳輸?shù)男盘?hào)波形有較大的影響,如何根據(jù)信道特性來自適應(yīng)調(diào)節(jié)收發(fā)端算法,進(jìn)一步提升系統(tǒng)的頻帶利用率,是混沌光纖通信另一個(gè)研究方向。