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编解码技术在安全光纤通信网络中的应用研究

作　者: 洪学智
导　师: 何赛灵
学　校: 浙江大学
专　业: 光学工程
关键词: 光码分多址(OCDMA) 多用户串扰(MAI) 光隐匿通信(optical stealth communication) 光学虚拟专用网络(OVPN) 正交频分复用(OFDM) 数字信号处理(DSP) 低密度奇偶校验码(LDPC) 相干光通信(coherent optical communication)
分类号: TN929.11
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着光纤通信网络容量的不断提升,光网络的安全性受到了广泛关注。光纤通信网络面临众多信息安全威胁,需要从网络的各个不同方面加强信息安全。本论文通过理论分析、仿真研究和实验验证等方法研究了编解码技术在安全光纤通信网络中的几种应用。多用户OCDMA系统通过将不同用户的信息在光域编码后同时传输,从而避免窃听者直接获得特定用户信息。本论文研究了具有较高安全性的多用户光码分多址复用技术及系统。为了增加OCDMA系统用户数,我们提出了一种基于非线性偏振旋转的光阈值器。本文详细的分析了该阈值器的原理,并通过4个用户、每个用户2.5Gb/s的OCDMA实验验证了其能有效地抑制多用户串扰(MAI)。该阈值器具有大波长范围内(C波段)无色(Colorless)的特点,并且避免了超连续谱型光阈值器滤波引入的频谱切割噪声。光隐匿通信技术通过将秘密信号隐藏在宿主通道中,避免窃听者发现隐匿传输的信号的存在,从而增强信息安全。本文提出了一维时域相位编码信号为隐匿信号,波分复用通道为宿主通道的光隐匿通信系统。本文通过仿真和实验系统的研究了一维时域相位编解码系统对谱域滤波的容忍度,并在此基础上提出采用凹陷滤波来抑制光隐匿通信系统中宿主通道信号对隐匿通道信号的串扰。本文通过实验演示了单个2.5Gb/s光隐匿通道和单个25Gb/s WDM光宿主通道的光隐匿通信系统。光学虚拟私有网络(OVPN)利用现有的光网络硬件设施实现一个虚拟的私有网络,且能够结合网络高层的信息加密协议提供高安全性、低延时的信息传输。本论文提出基于线路编码谱域整形技术在时分复用无源光网络(TDM-PON)中提供OVPN新服务的方案。本方案能对老服务的用户不需做修改,从而实现有选择性的提供新服务。本论文提出了相应的通信协议,并通过实验和仿真研究验证了在155Mb/s上行的TDM-PON中提供2.5Gb/s OVPN服务的可行性。随着“云”概念应用的普及,网络中点到点的安全通信技术越来越重要。本论文提出了采用超密集谱域相位编解码(UD-SPC)技术,并结合AES(?)口密的Gold序列和低密度奇偶校验(LDPC)技术,实现点到点的长距离、高安全性信息传输的方案。本文详细分析了基于码分多址编解码(CDM)和正交频分复用(OFDM)的UD-SPC的原理和AES加密得到的衍生Gold序列相关特性。本文验证了LDPC编码能有效地补偿衍生Gold序列间的码间串扰,从而增加同时传输的码字数目及通信速率。本论文提出了进一步提升系统安全性的循环移位的动态编解码方案,并分析了系统的安全性能。本文通过蒙特卡洛仿真研究了5.15Gb/s采用160个511码长衍生Gold序列的LDPC-UD-SPC系统背靠背和无色散光纤补偿传输200km及400km标准单模光纤的性能。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-10
目次  10-13
1 绪论  13-29
  1.1 信息时代通信网络的发展  13-14
  1.2 光纤通信技术的发展  14-16
  1.3 光纤通信基本特点  16-22
    1.3.1 光纤的基本物理特性  16-19
    1.3.2 光纤通信中的调制与复用技术  19-22
  1.4 光纤通信系统的安全性问题及对策  22-25
  1.5 本论文的主要创新点  25-26
  1.6 本论文的结构安排  26-29
2 一维时域相位编解码光码分多址复用系统  29-55
  2.1 引言  29-30
  2.2 一维相干OCDMA系统关键技术  30-37
    2.2.1 一维相干OCDMA系统码字设计  30-33
    2.2.2 一维TPC-OCDMA系统编解码器设计  33-35
    2.2.3 一维TPC-OCDMA系统中的的脉冲光源  35-37
  2.3 单对一维TPC-OCDMA编解码器实验  37-38
  2.4 一维TPC-OCDMA系统中多用户串扰抑制  38-49
    2.4.1 全光多用户串扰抑制技术  38-39
    2.4.2 光快门技术  39-41
    2.4.3 光阈值器技术  41-43
    2.4.4 新型基于非线性偏振旋转(NPR)的光阈值器  43-49
  2.5 采用MAI抑制技术的四用户TPC-OCDMA系统  49-52
  2.6 本章小结  52-55
3 基于码分多址编解码的光隐匿通信系统  55-87
  3.1 引言  55-58
  3.2 一维时域相位编码信号特征  58-60
  3.3 一维时域相位编解码系统对谱域滤波容忍度  60-75
    3.3.1 带通滤波对一维时域相位编解码系统影响  61-68
    3.3.2 凹陷滤波对一维时域相位编解码系统的影响  68-75
  3.4 基于一维时域相位编解码技术的光隐匿通信  75-85
    3.4.1 NRZ-OOK WDM宿主通道和一维TPC隐匿通道的通信系统实验  76-81
    3.4.2 RZ-OOK WDM宿主通道和一维TPC隐匿通道的通信系统实验  81-85
  3.5 本章小结  85-87
4 光纤接入网中基于编码的光学虚拟私有网络(OVPN)  87-103
  4.1 引言  87-91
  4.2 光接入网中的信号频谱整形技术  91-93
  4.3 基于曼彻斯特编码的OVPN(MAN-OVPN)方案  93-97
    4.3.1 TDM-PON中MAN-OVPN方案结构  93-96
    4.3.2 TDM-PON中MAN-OVPN方案中传输协议  96-97
  4.4 MAN-OVPN可行性实验及仿真验证  97-101
  4.5 本章小结  101-103
5 基于超密集谱域相位编解码及前向纠错的点到点保密传输系统  103-123
  5.1 引言  103-104
  5.2 基于CDM和OFDM的超密集谱域相位编解码(UD-SPC)  104-108
  5.3 衍生GOLD序列的产生和相关特性  108-110
  5.4 LDPC纠错基本原理及性能测试  110-114
    5.4.1 LDPC纠错原理简介  110-111
    5.4.2 LDPC码在单载波QPSK相干探测系统中性能测试  111-114
  5.5 LDPC-UD-SPC点到点保密传输方案及仿真测试  114-120
    5.5.1 LDPC-UD-SPC点到点保密传输方案  114-115
    5.5.2 LDPC-UD-SPC点到点保密传输系统仿真  115-120
  5.6 系统安全性分析和循环移位动态编码方案  120-121
  5.7 本章小结  121-123
6 结论与展望  123-127
  6.1 本论文工作内容的结论  123-124
  6.2 对后续工作的展望  124-127
参考文献  127-135
作者简历  135-137

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