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基于4D超混沌和维数协调优化的高安全性物理层加密OFDM-PON技术

      近年来，随着通信和计算机技术的空前快速发展，信息安全风险显著增长，引起了全世界的广泛关注。虽然大多数先前发布的安全性增强策略都是基于算法加密的，例如典型的高级加密标准（AES）。由于算法的确定性特征，这种加密面临快速增长计算能力（如新型的量子计算）的严重威胁。因此，为了进一步提高通信系统的安全性，研究先进的非确定性物理加密技术是非常重要和及时的。
      正交频分复用（OFDM）技术以其频谱利用率高、多径干扰小、容量大等优点在光通信领域受到了特别的关注。目前，通信系统的加密一直集中在光网络的上层，如各种安全协议。但是，上层加密无法保护控制数据或报头，存在安全隐患。而且随着用户数量的增加，需要管理的密钥也会增加，导致管理不方便。然而，物理层可以为所有类型的数据提供透明的加密，使整个系统更加安全，因此物理层加密是一种很有前途的方法。同时，由于混沌技术具有较高的初始条件敏感性，混沌技术也被广泛应用于各种加密方案中。
      近日南京信息工程大学和北京邮电大学的科研人员提出一种基于星座图、子载波、符号和时间四维加密的正交频分复用无源光网络(OFDM-PON)，利用思维超混沌映射生成掩蔽因子来实现信息的超高安全性加密。加密过程中采用维数协调优化和概率整形（PS），有效降低了系统的时间成本，提高了加密效率。同时在实验中成功演示了在标准单模光纤的25 km光纤跨度上以16 Gb / s加密PS-16QAM OFDM信号的传输。实验结果表明了该方案在光学OFDM系统中的有效性。与传统的OFDM相比，这种方案的误码性能提高了1dB，加密效率提高了3倍，而对峰均功率比没有任何负面影响。
      研究人员还指出该方案的密钥空间足够大～10^126，甚至可以抵抗暴力破解。假设由于星座图的异常，窃听者在传输中感知到加密操作然后利用一切可能的方法破解信息，最终还原出正确的星座图。在这种情况下，如图3所示由非法接收端暴力破解获得的BER曲线，可以看出，BER仍然很高。这是因为系统在子载波、符号和时间维上仍然有加密操作，因此这些加密不容易被检测到，所以系统仍然保证了安全性。