基于DPSK調(diào)制的光學(xué)物理層網(wǎng)絡(luò)編碼安全研究

陳佳龍，蔡茂國，陳 寧

(深圳大學(xué)信息工程學(xué)院，廣東 深圳 518061)

1 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)通信量的高速增長，人們一直在努力增加光纖的通信容量。一般使用兩種方法，第一種是增加每個(gè)復(fù)用維數(shù)的信道數(shù)，例如，增加每個(gè)單位時(shí)間內(nèi)的波長信道數(shù)或縮短符號(hào)周期。第二種是提高光譜效率，這包括同時(shí)使用多個(gè)復(fù)用技術(shù)[1]，比如時(shí)分、波分、外加偏振分復(fù)用[2]，使用先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)[3]等。到目前為止，多路復(fù)用技術(shù)中的所有可能的維數(shù)幾乎都已被利用，光信道中的非線性效應(yīng)加上香農(nóng)極限等因素決定了光纖的容量[4]，所以需要利用創(chuàng)新的技術(shù)來進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)的效率和安全性能。網(wǎng)絡(luò)編碼(NC)應(yīng)運(yùn)而生。NC給網(wǎng)絡(luò)帶來的良好的魯棒性[5]和安全性[6]的潛力引起了人們的關(guān)注，自NC提出起，就被探索和開發(fā)多種應(yīng)用。特別是Mr.zhang提出的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼(PNC)[7]可以顯著地提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

近年來，越來越多人將PNC技術(shù)應(yīng)用在光纖通信中[8-12]。文獻(xiàn)[9-10]中利用半導(dǎo)體光纖放大器(SOA)的非線性效應(yīng)作為全光異或門在物理層實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編碼。文獻(xiàn)[9]中將兩路信號(hào)在中繼處耦合之后，分別解出兩路信號(hào)進(jìn)行處理，雖然是在光學(xué)物理層進(jìn)行的操作，但是這還是屬于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)編碼的范疇，并不是嚴(yán)格意義上的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼。文獻(xiàn)[12]中將PNC應(yīng)用到波分復(fù)用中，想利用光波的功率和波形疊加在光信道中實(shí)現(xiàn)PNC，這樣做需要使用多個(gè)波長，占用了信道資源，并且可以使用可調(diào)諧波長濾波器進(jìn)行濾波，使得信道安全性也得不到保障。本文的方案通過將兩個(gè)調(diào)制后相位不同的信號(hào)在物理層耦合在一起，并在中繼處將耦合信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、相干檢測得到異或數(shù)字信號(hào)，這是真正的光學(xué)PNC，因?yàn)檫@兩個(gè)光信號(hào)具有相同的波長。換句話說，就是在網(wǎng)絡(luò)編碼之后，兩個(gè)兩個(gè)信號(hào)分量占據(jù)同一個(gè)信道，不能用傳統(tǒng)的解復(fù)用方法進(jìn)行分離。因此，可以充分利用波長資源，而且耦合處理后的信號(hào)為兩個(gè)信號(hào)的異或形式，用傳統(tǒng)的解復(fù)用方式完全無效。

2 物理層網(wǎng)絡(luò)編碼

物理層網(wǎng)絡(luò)編碼通常用來研究衰落信道下三點(diǎn)雙向中繼網(wǎng)絡(luò)，如圖1(a)所示，用戶A和用戶B需要通過中繼來傳遞信息，當(dāng)用戶A與用戶B同時(shí)通信的時(shí)候，用戶A傳遞信息給中繼為time1，中繼將信息傳給用戶B為time2，用戶B將信息傳給中繼為time3，中繼將信息傳給用戶A為time4，兩個(gè)用戶之間傳遞信息需要四個(gè)時(shí)隙。而如圖1(b)所示，用戶A和用戶B可以同時(shí)向中繼傳遞信息為time1，在中繼處將兩個(gè)用戶信息耦合在一起，處理成兩個(gè)用戶信息的異或形式，再將處理后的信息直接分發(fā)給兩個(gè)用戶為time2，每個(gè)用戶都可以利用自己發(fā)送的信息與接收的信息進(jìn)行抵消，就可以得到另一個(gè)用戶的信息。這樣的話，兩個(gè)用戶之間信息傳遞只需要兩個(gè)時(shí)隙，吞吐量增加了1倍。

圖1 信息交換方式

圖2 是兩個(gè)用戶在同步和異步兩個(gè)情況下對信息的編解碼操作。如圖2(a)所示，用戶A和用戶B將將傳遞的信息進(jìn)行調(diào)制后同時(shí)傳遞給中繼，中繼將兩路信息耦合后進(jìn)行異或編碼，并將編碼后的信息分發(fā)給用戶，兩個(gè)用戶將接收到的信息與自己發(fā)送的信息再次進(jìn)行異或編碼就可以另一個(gè)用戶的信息?？紤]到兩個(gè)用戶可能與中繼的距離不相等，所以存在異步信息編碼問題。如圖2(b)所示，△t是用戶A和用戶B之間的脈沖時(shí)間偏差，當(dāng)用戶B與用戶A存在比特偏移的時(shí)候，經(jīng)過兩次異或編碼操作后，兩個(gè)用戶仍能恢復(fù)得到正確的信息。沒有任何誤差，說明了物理層網(wǎng)絡(luò)編碼在異或情況下仍能得到不錯(cuò)的性能。

圖2 兩用戶在兩種情況下信息編解碼操作

3 光物理層網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)分析

本實(shí)驗(yàn)是利用Optisystem 7.0為平臺(tái)做的仿真設(shè)計(jì)，如圖3為本文提出的基于DPSK調(diào)制的物理層網(wǎng)絡(luò)編碼的結(jié)構(gòu)圖。

(1)

代入光場強(qiáng)和功率的公式可得RZ的時(shí)鐘信號(hào)的光場和功率為

(2)

(3)

其中Ein1(t)=|E0|ejωct+φ1。

第二級調(diào)制器的偏置電壓Vbias=Vπ，數(shù)據(jù)信號(hào)峰值電壓設(shè)置為2Vπ，則第二級驅(qū)動(dòng)電壓為

(4)

代入光場強(qiáng)和功率的公式可得占空比為33%的RZ-DPSK為

圖3 基于DPSK調(diào)制的光物理層網(wǎng)絡(luò)編碼系統(tǒng)

(5)

(6)

當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)為0時(shí)，光場取負(fù)號(hào)，當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)為1時(shí)，光場取正號(hào)。設(shè)置占空比為66%的CSRZ-DPSK的信號(hào)和33%的DPSK信號(hào)參數(shù)大多一致，只是第一級調(diào)制器的偏置條件不同，需要第一級調(diào)制器的偏置電壓Vbias=Vπ，第一級調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)電壓為

(7)

代入光場強(qiáng)和功率的公式可得CSRZ的時(shí)鐘信號(hào)的光場和功率為

(8)

(9)

其中Ein2(t)=|E0|ejωct+φ2

第二級調(diào)制器的偏置電壓Vbias=Vπ，數(shù)據(jù)信號(hào)峰值電壓設(shè)置為2Vπ，第二級驅(qū)動(dòng)電壓與33%的RZ-DPSK的驅(qū)動(dòng)電壓相同。代入光場強(qiáng)和功率的公式可得占空比為66%的CSRZ-DPSK為

(10)

(11)

當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)為0時(shí)，光場取負(fù)號(hào)，當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)為1時(shí)，光場取正號(hào)。兩路信號(hào)調(diào)制后經(jīng)過100km的單模光纖的傳輸?shù)竭_(dá)中繼，在中繼區(qū)域?qū)陕沸盘?hào)進(jìn)行耦合，耦合后的信號(hào)為S(t)?；旌闲盘?hào)的光場強(qiáng)和功率的公式為

(12)

(13)

因?yàn)檎{(diào)制后的兩路信號(hào)相位不同，使得耦合后的信號(hào)相位會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，但強(qiáng)度基本不會(huì)發(fā)生改變，即在光時(shí)域上的波形基本不會(huì)發(fā)生變化。耦合后的信號(hào)S(t)經(jīng)過100km的單模光纖分別傳輸給用戶A和用戶B，在接收端利用DPSK相位差分相干解調(diào)將差分相位信號(hào)轉(zhuǎn)化為幅度信號(hào)。本文中是利用邁克爾遜干涉儀將輸入光束分為兩束，然后通過可控制時(shí)延τ使兩束光重新組合。邁克爾遜干涉儀就是由兩個(gè)Y型耦合器組成，主要分為三部分，即輸入、輸出和耦合區(qū)。

(14)

一般令Ein2=0，由于輸入與輸出組成相同，則傳遞函數(shù)為

H(f)=Hcoupler(f)HτHcoupler(f)

(15)

其中

(16)

其中a是輸入和輸出的分光比，通常為0.5。

(17)

(18)

然后再將其與自身發(fā)送的信息進(jìn)行異或編碼，就可以得到對方發(fā)送的正確信息，不失一般性，若以A用戶為例，A用戶最終接收的信息為

xa(n)⊕xb(n)⊕xa(n)=xb(n)

(19)

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 同步操作

圖4所示的是用戶A、B兩個(gè)用戶在同步編解碼的情況下不同傳輸速率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖4(a)(h)和(b)(i)所示分別為用戶A與用戶B的傳輸信息比特，圖4(c)(j)為兩個(gè)用戶信息的比特異或流，兩個(gè)用戶信息比特只要在不同的時(shí)候，才會(huì)為邏輯“1”，在相同的時(shí)候?yàn)檫壿嫛?”。圖4(d)由于傳輸速率較小，為傳輸速率1Gb/s時(shí)的混合信號(hào)圖，光纖傳輸中損耗并不大，從波形上看只有一些噪聲影響，但是圖4(k)由于傳輸速率增加到3Gb/s，光信號(hào)在光纖傳輸過程中的色散和損耗的增加，波形并沒有圖4(d)的好。圖4 (e)(l)信號(hào)在中繼處混合信號(hào)的相位圖，圖中以向下凹的波形為邏輯“0”，相位為π，以向上凸的波形為邏輯“1”，相位為0。圖4 (f)為混合信號(hào)在中繼進(jìn)行DPSK解碼后的波形圖，由于傳輸速率為1Gb/s，且為同步編解碼，信道也沒有受到很大的干擾，所以波形圖看起來效果很好。圖4(g)為傳輸速率為1Gb/s下解碼后的眼圖，可以看出眼圖展開明顯，效果很好。前面提到由于傳輸速率的提高到3Gb/s，中繼處兩路混合后信號(hào)波形圖4(k)并不夠好，但是從解碼后的示波器顯示的波形圖4(m)來看，效果并沒有受到很大的影響，從眼圖圖4(n)就可以看出，雖然展開效果不如圖4(g)，但是依舊展開效果良好，說明了該系統(tǒng)在高速率傳輸情況下仍具有不錯(cuò)的性能。

圖4 不同傳輸速率下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5為系統(tǒng)在不同的傳輸速率下，中繼處解碼后的誤碼率在不同光源功率下的變化圖像。由圖可以看出，不管是在1Gb/s還是3Gb/s的傳輸速率下，誤碼率都是隨著光源功率的增大而減少，而且減少的速率越來越快。更顯而易見的是，在3Gb/s的傳輸速率下的誤碼率遠(yuǎn)比傳輸速率在1Gb/s下的要高得多，同樣在1×10-8的誤碼率時(shí)，3Gb/s的傳輸速率要比1Gb/s所需光源的功率要高出8dBm左右，可以看出在整個(gè)系統(tǒng)中，3Gb/s的傳輸速率下的功率損耗要比1Gb/s高得多。

圖5 不同傳輸速率下的誤碼率

4.2 異步操作

由于兩個(gè)用戶與中繼距離的不同，使得在中繼處兩個(gè)信號(hào)混合時(shí)存在著異步的情況。圖6為兩個(gè)用戶在延時(shí)比特分別為0.25bit和0.5bit的異步情況下傳輸速率為1Gb/s的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖6(a)和(h)為用戶A的信息比特流，(b)與(i)為用戶B的信息比特流，(c)與(j)為兩個(gè)用戶信息的異或比特流。圖6(d)(k)與(e)(f)分別為0.25bit時(shí)延和0.5bit時(shí)延的混合信號(hào)波形圖與相位圖，由于延時(shí)比特的增加，可以看出混合信號(hào)的噪聲越來越大，但是如圖6(f)與(m)所示，經(jīng)過DPSK解調(diào)之后，依舊能夠得到正確的異或信息波形。由圖6(g)和(n)的解碼后的眼圖可以看出，眼圖展開情況很好，說明了OPNC在異步情況下仍然有很好的性能。

圖6 傳輸速率1Gb/s時(shí)兩個(gè)用戶不同時(shí)間偏移量下的異步實(shí)驗(yàn)結(jié)果

與上文相似，圖7為兩個(gè)用戶在延時(shí)比特分別為0.25bit和0.35bit的異步情況下輸速率為1Gb/s的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖7(a)和(h)為用戶A的信息比特流，(b)與(i)為用戶B的信息比特流，(c)與(j)為兩個(gè)用戶信息的異或比特流。圖7(d)(k)與(e)(f)分別為0.25bit時(shí)延和0.5bit時(shí)延的混合信號(hào)波形圖與相位圖，與傳輸速率1Gb/s的相比，由于傳輸速率的增加，噪聲明顯增加，中繼處混合后的波形也變得不規(guī)則，但是從經(jīng)過解碼、濾波之后得到的波形圖圖7(f)與(m)可以看出，盡管經(jīng)過高速率的傳輸與延時(shí)異步的影響，系統(tǒng)仍能解碼得到正確的異或波形。從圖7(g)與(n)可以看出，眼圖隨著延時(shí)的增加，展開情況越來越差，但是仍有不錯(cuò)的展開效果，說明了OPNC在高速率的異步情況下也能達(dá)到不錯(cuò)的效果。

圖7 傳輸速率3Gb/s時(shí)兩個(gè)用戶不同時(shí)間偏移量下的異步實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8為傳輸速率為1Gb/s時(shí)不同bit延遲下的誤碼率。根據(jù)圖8可以看出，隨著光源功率的增加，誤碼率不斷的減少，這和同步操作時(shí)候的結(jié)果一樣。但不同的是，可以看出隨著bit延遲的增加，相同的誤碼率，需要的光源能量越來越大，由圖中可以看出，在誤碼率同為1×10-8時(shí)，同步操作和延遲0.1bit所需的光源功率相差無幾，但是比延遲0.2bit和0.25bit所需的光源功率分別要低0.4dBm和1.5dBm，延遲達(dá)到0.5bit時(shí)，光源所需功率大大增加，在誤碼率同為10-8時(shí)，比延遲0.25bit所需功率增加了5.7dBm。從誤碼率曲線的彎曲程度可以看出，bit延遲越大，曲線斜率越小，到0.5bit延遲時(shí)，誤碼率曲線會(huì)一直減小到一個(gè)定值。

圖8 傳輸速率1Gb/s時(shí)不同bit延遲下的誤碼率

和傳輸速率1Gb/s的誤碼率結(jié)果相比，圖9可以看出，兩者結(jié)果都有相似的結(jié)論。隨著光源功率的增加，誤碼率越來越小。誤碼率曲線的斜率隨著bit延遲的增加而減小，達(dá)到0.5bit延遲時(shí)，誤碼率曲線斜率在1×10-7處幾乎已經(jīng)趨近于0，誤碼率不再隨著光源功率的增加而繼續(xù)減少。不同的是，傳輸速率為3Gb/s的情況下，隨著bit延遲的增加，在誤碼率同為1×10-8時(shí)，同步操作需要的光源功率比0.1bit延遲要低0.6dBm，比0.2bit延遲和0.25bit分別低2dBm和3.5dBm，說明了3Gb/s的傳輸速率下延遲bit的功率損耗要比1Gb/s高得多。

圖9 傳輸速率3Gb/s時(shí)不同bit延遲下的誤碼率

5 總結(jié)

本文提出了一種基于DPSK信號(hào)的共通道光物理層網(wǎng)絡(luò)安全編碼方案，方案采用兩個(gè)DPSK信號(hào)在中繼處耦合實(shí)現(xiàn)物理層網(wǎng)絡(luò)編碼。不需要符號(hào)級的時(shí)域同步，允許一定的比特時(shí)延，增加了系統(tǒng)的容錯(cuò)率和穩(wěn)定性。物理層網(wǎng)絡(luò)編碼信號(hào)中的兩個(gè)信號(hào)分量占用同一信道，不能用傳統(tǒng)的解復(fù)用方法進(jìn)行分離，增加了中繼到用戶之間的傳輸鏈路的安全性。