具体实施方式

本公开提供了一种相干光通信的物理层安全通信装置，所述装置实现物理层安全具备无需密钥管控分发、无需复杂计算和直接面向底层数据，实现了低时延、低功耗，可克服现有的安全通信装置的主要缺点和不足之处。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开实施例中，提供一种相干光通信的物理层安全通信装置，如图1所示，所述物理层安全通信装置，包括：

发送端，能够在用户信息中填充冗余数据，形成填充数据；并通过对相干光进行携带所述填充数据的调制，形成数据相干光并输出；

接收端，能够接收所述数据相干光，通过对所述数据相干光进行处理得到所述填充数据；并通过对处理得到所述填充数据进行恢复，得到所述用户信息。

在本公开实施例中，所述发送端包括：

光源，用于输出所述相干光；

发送控制平台，用于接收用户信息，并将冗余数据填充在用户信息比特之间，形成填充数据；并能够将所述填充数据以单个比特或多个比特的形式随机分配到两个支路进行输出；

调制器，用于接收所述相干光与所述填充数据，通过所述两个支路的电信号对所述相干光进行调制，得到所述数据相干光。

在本公开实施例中，所述接收端包括：

相干接收机，用于接收所述数据相干光，并对所述数据相干光进行处理，得到与所述两个支路相同的两路电信号；

接收控制平台，用于接收所述相干接收机发出的两路电信号，并能够对所述相干接收机发出的两路电信号进行数据恢复。

在本公开实施例中，所述光源为窄线宽连续光的相干光源，其线宽典型值小于100kHz。

在本公开实施例中，所述调制器为马赫-曾德尔调制器，所述马赫-曾德尔调制器的调制格式可以但不限定为BPSK、QPSK、16QAM以及其他高级相干调制格式。

在本公开实施例中，所述相干光接收机所述数据相干光进行处理为，将接收到的所述数据相干光进行外差式相干解调。

在本公开实施例中，所述发送控制平台与所述接收控制平台是基于FPGA进行实现。

在本公开实施例中，所述FPGA能够将接收端恢复得到所述用户信息发送给目标用户。

在本公开实施例中，所述发送端与所述接收端之间的传输信道为光纤形成光纤信道。

具体地，在本公开实施例中，如图1所示，所述物理层安全通信装置，包括：光源、调制器部分、基于FPGA的收发控制平台、光纤传输信道以及相干接收部分等五个主要的组成部分。FPGA控制平台根据跳变图案将混合后的数据，单比特随机地送入到I和Q两个支路，其中一条支路是用户的有效比特数据，另一条支路为填充的冗余比特。根据相干通信QPSK调制特性，用户数据比特将在四个有效相位点上，依据跳变图案的规律单比特随机的跳变。非法用户在不知道跳变图案的情况下，难以窃取用户信息比特，从而增强用户信息的安全性能。

在本公开实施例中，发送端的光源为相干连续光源，其特征是要求线宽窄以及频率稳定度高。线宽典型值一般在100kHz以下。调制器具备光相位调制功能，作用是将I和Q支路信息调制到光的相位参量上。调制方式包括QPSK、16QAM等，不同的调制方式对应于不同的控制平台。控制平台主要是处理用户信息，接收到用户信息后，根据调制方式的不同，添加冗余数据。如采用QPSK方式，则间隔一个比特随机填充单比特冗余数据；如采用16QAM方式，则间隔两个比特随机填充双比特冗余数据。以此类推，填充的冗余数据和间隔的比特数正好构成调制方式的一个码元单位。填充完成后，再根据收发双方提前约定的跳变图案，将填充后的一路数据，随机的跳变为两路数据同步输出，进入到调制器的I和Q支路上。如采用QPSK方式，则I和Q支路上有一条支路是用户有效信息，而另一条支路上则为填充的冗余信息。

在本公开实施例中，调制后的相干光信号，由传输媒介进行传输，传输媒介包括光纤或者自由空间。到达接收端后，利用相干接收机进行接收处理，恢复出I和Q支路信号。相干接收机采用商用成熟的相干接收方案，包括90°光混频器、平衡光探测器以及本振光源等。本振光源要求线宽典型值、频率稳定度特性与发送光源相同，中心频点一致。平衡光探测器主要包括平衡探测器、跨阻抗放大器、滤波器以及模数变换器等。相干接收机输出I和Q支路信息送入到接收端的FPGA控制平台。FPGA控制平台主要完成两方面工作，一是利用内嵌的数据处理模块进行后续数据处理工作，二是利用FPGA控制平台对处理后的数据进行用户数据恢复。用户数据恢复，主要是利用收发双方约定的跳变序列，将处理后的两路数据进行合并并剔除冗余数据，恢复出有效数据。恢复后的数据由目标用户进行接收。由此则完成相位随机跳变的相干光通信系统物理层安全通信。

本公开还提供了一种任一上述的物理层安全通信装置的相干光通信的物理层安全通信方法，包括：

在用户信息中填充冗余数据，形成填充数据；并通过对相干光进行携带所述填充数据的调制，如图2所示，形成数据相干光；

对所述数据相干光进行处理得到所述填充数据；并通过对处理得到所述填充数据进行恢复，得到所述用户信息。

具体地，在本公开实施例中，相干光通信的物理层安全通信方法是在FPGA平台上，首先随机的将冗余数据填充在用户信息比特之间，其次将填充后的数据进行单比特的分离，然后将单比特信息经分配序列的控制，随机分配在高阶相位调制器不同的I和Q调制支路上，最后通过高阶相位调制器的调制，将用户信息随机的分布在几个可选的跳变相位点上，并通过传输信道发送至接收端。在接收端，首先采用相干接收机恢复出接收序列，然后经过FPGA进行与发送过程相反的逆变换，得出用户信息。此方法和装置在时域上呈现的效果是，用户有效的信息比特将随机的分布在I和Q调制的某一支路上，对应的另一支路则为填充的冗余信息，有效信息比特在几个可选的相位点上，根据控制序列随机的跳变。从而构成承载信息的相位随机跳变的相干光通信系统物理层安全机制。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开相干光通信的物理层安全通信装置及其方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供了一种相干光通信的物理层安全通信装置及其方法，该物理层安全通信装置及其方法实现物理层安全具备无需密钥管控分发、无需复杂计算和直接面向底层数据，实现了低时延、低功耗特点，正在被应用到越来越多的高速率安全场景。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。