基于量子噪聲隨機加密的抗截獲傳輸方案*

李云坤，萬 亮，王雨榕，蒲 濤，曹 越，陳毓鍇

（1.中國人民解放軍31155 部隊，江蘇 南京 210000；2.中國人民解放軍陸軍工程大學，江蘇 南京 210000；3.中國人民解放軍32046 部隊，江蘇 南京 210000；4.中國人民解放軍61623 部隊，北京 100840）

0 引言

作為全局性的基礎支撐網絡，光纖通信在科技發展和國家戰略支持的背景下，其傳輸速率和接入覆蓋率越來越高[1]。然而，隨著光纖竊聽手段日趨成熟，如何經濟有效地保證高速率、大容量的安全通信成為亟待解決的問題[2-3]。相比于傳統的加密手段，物理層抗截獲技術基于光信號本身的物理性質實現保密通信，可有效突破傳統加密設備可能存在的“電子瓶頸”，更具發展潛力和應用前景[4-6]。典型的物理層抗截獲手段有量子保密通信體制、光混沌技術、光隱藏技術和量子噪聲隨機加密（Quantum Noise Randomized Cipher，QNRC）等。其中，QNRC 結合了流密碼體制和量子力學原理，利用量子噪聲掩蓋高階多進制光信號真實的幅度、相位和偏振態，從而實現了信號層面的安全保密，具有傳輸速率高、兼容性強、支持“即插即用”的優勢[7-11]。

QNRC 最早由美國西北大學的Yuen 在美國國防部高級研究計劃局相關項目支持下提出，用于實現大容量密鑰通信，由于其本身遵循流密碼體制“一次一密”原則，故又稱量子噪聲流密碼（Quantum Noise Stream Cipher，QNSC）[12]。近幾年，QNRC 在實驗和理論上均得到了長足的進步，日本玉川大學和東北大學憑借國內良好的芯片制造工藝，目前在該領域處于領先位置，可實現160 km 距離下10 Tbit/s 速率的無誤碼傳輸[13]。國內對該技術研究相對成熟的有北京郵電大學、華中科技大學和中國人民解放軍陸軍工程大學。實驗方面，北京郵電大學首次將基于離散傅里葉變換擴展的正交頻分復用與QNRC 結合在一起，實現了200 km 距離下10 Gbit/s 速率的無中繼、無誤碼傳輸[14]。華中科技大學綜合考慮傳輸過程中的容量、損耗、色散、誤碼率、安全性等因素，采用雙驅動馬赫增德爾調制器對信號進行單邊帶調制，以此避免對色散補償的需求；采用4 進制的脈沖編碼調制增加頻譜效率；采用前向糾錯的方式減小誤碼率，成功實現了100 km距離下100 Gbit/s 速率的QNRC 系統[15]。理論方面，中國人民解放軍陸軍工程大學采用竊聽信道模型，從數學上證明了相位調制QNRC 系統的安全性，提出保密容量作為安全評估的定量指標，對后續研究QNRC 系統的安全性具有一定的指導意義[16-18]。

本文基于QNRC 技術提出了一套端到端的光纖通信抗截獲傳輸方案，通過實驗驗證了方案可行性，并對方案的運用場景進行研究，形成了從系統搭建到現實運用的理論成果。

1 原理介紹

1.1 實現方法

QNRC 依據Y00 協議，將預先共享的種子密鑰擴展為運行密鑰流，然后將運行密鑰流劃分為等長度的運行子密鑰，對光信號的某個自由度（幅度、相位等信息）進行高階多進制調制。在接收端利用運行子密鑰對多進制光信號選基，從而將其恢復成二進制信號，以便更好地對信號進行判決。根據調制格式來分，QNRC 可以分為ISK-QNRC、PSKQNRC、QAM-QNRC。加密和解密過程如圖1 所示。

圖1 Y00 協議加密、解密過程

圖1 中，x為二進制明文，m為多進制密文，KS為種子密鑰，UN為二進制運行密鑰流，ul是長度為l的二進制運行子密鑰，|α(m)〉為信道中傳輸的密文態，為解密后的結果。收發雙方預先共享的種子密鑰經過密鑰擴展模塊成為運行密鑰流，將運行密鑰流均勻分為N等分，每一份即運行子密鑰。明文和運行子密鑰經過加密映射形成密文，經過調制即可發送至信道傳輸。接收方同理對上述過程進行計算，即可形成解密后的二進制比特流。明文到密文的映射關系如下：

式中：Pol(·)為求奇偶性的函數，|·|為所求數據的長度。上述映射函數可以理解為在密文的最高位前插入明文和密文最后一位異或的結果，此時基態數目為2l，密文態數目為2l+1。由此可知，不同的明文數據“0”或者“1”對應的密文正好相差2l。

1.2 加密原理

QNRC 本質上是一種高階偽多進制調制解調方式，如圖2 所示。由于在檢測相干態光信號的過程中存在量子漲落現象，導致檢測結果存在一定的誤差。

圖2 相干態測量不確定現象

如圖3 所示，以PSK-QNRC 為例，密文態光信號相位均勻地分布在[-π,π]之間，假設一共有2n個密文態。當密文態數量足夠高時，竊聽者的檢測結果將有可能是量子噪聲影響范圍內的多種密文態之一。相比之下，合法接收方可以使用運行子密鑰重新將密文恢復成二進制，根據合適的判決門限正確解密。由于竊聽者和合法接收方正確解密的概率不同，因此合法接收方擁有比竊聽者更大的信道容量。

圖3 PSK-QNRC 加密原理

2 實驗結果

本文采取光域解密、相干檢測的方式實現了PSK-QNRC 系統，實驗分別測量了背靠背（B2B）和50 km傳輸距離下，傳輸速率為2.5 Gbit/s、5 Gbit/s、10 Gbit/s 的傳輸誤碼率曲線，計算不同速率下的誤碼率閾值，分析對比功率代價，表1為實驗參數配置。

表1 實驗參數配置

如圖4 為實驗系統，實驗在PC 端預先將種子密鑰擴展為運行密鑰流，并根據映射關系計算產生密文，使用任意波形發生器（Arbitrary Waveform Generator，AWG）產生兩路高階多進制電信號，在相位調制器1（Phase Modulator，PM）中輸入密文，密文光信號經衰減器調節功率后送入信道傳輸。接收端對PM2 輸入運行子密鑰，產生解密信號作為相干接收機本振信號輸入。

圖4 采用光域解密、相干檢測的PSK-QNRC 系統

如圖5 所示是AWG 發送的數字波形和密文與密鑰的數字信號幅度之差，其中圖5（a）是密文和運行子密鑰的數字波形，圖5（b）是密文和運行子密鑰的信號幅度差值。盡管密文和運行子密鑰都是多進制的數字波形，但兩種信號相減得到的差值是二進制的，對于相位調制的光信號，相位差值則是二進制的（0 或者π）。

圖6 為解密前后的眼圖和星座圖，其中眼圖選取的是I 支路信號。對于竊聽者而言，由于缺少正確的運行子密鑰，其檢測結果是高階多進制的，無法找到合適的判決門限將密文恢復成二進制信號，而合法接收方可通過使用運行子密鑰將密文恢復成二進制。

圖6 解密前后眼圖、星座圖

圖7 為PSK-QNRC 系統分別在B2B 和50 km傳輸距離下，傳輸速率分別為2.5 Gbit/s、5 Gbit/s、10 Gbit/s 的誤碼率曲線。圖中與橫軸平行的虛線為G.709 RS(255,239)碼的誤碼率閾值(5.8×10-5)。在此閾值以下，從圖7（a）可知，相比于2.5 Gbit/s，傳輸速率為5 Gbit/s 和10 Gbit/s 時在50 km 傳輸距離下的功率代價分別為1.1 dB 和4.7 dB。而從圖7（b）、圖7（c）和圖7（d）可知，在10 Gbit/s、5 Gbit/s、2.5 Gbit/s 的傳輸速率下，50 km 傳輸相對于B2B 的功率代價分別為1.8 dB、1.1 dB 和0.4 dB。

圖7 傳輸距離為50 km 時傳統方案的誤碼率曲線

實驗表明，基于光域解密、相干檢測的PSKQNRC 系統可以在50 km 傳輸距離下，實現傳輸速率為10 Gbit/s 的安全、可靠通信。

3 結語

作為一種典型的抗截獲傳輸技術，QNRC 可通過部署于光傳輸設備側，保障節點間端到端直連鏈路安全。由于其具備“即插即用”能力，可便捷地為臨時部署的接入節點提供高速、安全的傳輸信道。在今后的軍事應用中，當無人蜂群這類機動作戰力量前出時，可保障臨機開設的地面接入站點快速接入骨干網，從而提高作戰機動性和靈活性。