鄧秋卓，張紅旗，張鹿，余顯斌

（浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

0 引言

隨著無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速率需求的爆炸式增長(zhǎng)，光子太赫茲（THz,Terahertz）通信被認(rèn)為能極大促進(jìn)數(shù)據(jù)傳輸速率向著Tbit/s 發(fā)展，是下一代移動(dòng)通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。太赫茲波具有頻率高、波長(zhǎng)短、波束窄等特點(diǎn)，在空間傳輸過(guò)程中減少了衍射對(duì)信號(hào)的影響，使信號(hào)傳輸具有良好的方向性，太赫茲信號(hào)的能量主要集中在具有較強(qiáng)方向性的通信鏈路上，大大增加了非法竊聽(tīng)者對(duì)太赫茲信號(hào)竊聽(tīng)的難度[1]。因此，太赫茲波被廣泛認(rèn)為能在安全保密通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，近幾年針對(duì)太赫茲安全通信技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，太赫茲通信仍舊面臨竊聽(tīng)、攻擊等信息交互的安全性問(wèn)題[2]。在目前超大規(guī)模計(jì)算機(jī)發(fā)展的態(tài)勢(shì)下，結(jié)合高計(jì)算復(fù)雜度加密算法的安全通信技術(shù)局限性變得愈發(fā)明顯，結(jié)合物理復(fù)雜度的物理層安全傳輸技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)太赫茲安全通信的重要技術(shù)渠道。本文將總結(jié)分析目前太赫茲鏈路面臨的安全性威脅，重點(diǎn)關(guān)注一種新興的光網(wǎng)絡(luò)物理層安全通信技術(shù)——量子噪聲流加密（QNSC,Quantum Noise Stream Cipher），詳細(xì)闡述量子噪聲流加密的研究現(xiàn)狀和基本原理，概述量子噪聲流加密與光子太赫茲通信的無(wú)縫融合技術(shù)，提出一種基于量子噪聲流加密的光子太赫茲安全通信系統(tǒng)方案，并進(jìn)行有效實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 太赫茲無(wú)線通信鏈路的安全威脅

作為下一代無(wú)線通信技術(shù)的核心技術(shù)之一，太赫茲通信具有實(shí)現(xiàn)Tbit/s 級(jí)數(shù)據(jù)傳輸速率的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。然而太赫茲波頻率高，受傳輸鏈路周?chē)髿猸h(huán)境影響大、穿透力低、鏈路衰減較大。為了提高信號(hào)傳輸性能，太赫茲通信通常借助高增益天線和透鏡產(chǎn)生具有高指向性的高度定向波束，使太赫茲信號(hào)能量主要集中在具有較強(qiáng)方向性的通信鏈路上，有效減小自由空間傳輸?shù)逆溌窊p耗。與此同時(shí)，太赫茲波的高指向性和傳輸范圍有限等特點(diǎn)大大限制了竊聽(tīng)者攔截窄波束的能力，非法竊聽(tīng)者將更難在不干擾信號(hào)傳輸?shù)那闆r下放置竊聽(tīng)器件并截獲信號(hào)，理論上使得太赫茲通信鏈路更加安全可靠。

如圖1 所示，在傳統(tǒng)的射頻無(wú)線鏈路竊聽(tīng)攻擊中，竊聽(tīng)者通常利用信號(hào)傳輸?shù)陌l(fā)散角在傳輸鏈路上放置特定的裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的竊聽(tīng)，竊聽(tīng)端處理竊聽(tīng)信號(hào)所需的接收器體積大且笨重[3–5]，大大增加了窄波束太赫茲波的竊聽(tīng)難度。因此，利用太赫茲波反射和散射特性實(shí)現(xiàn)竊聽(tīng)受到了許多關(guān)注。這一類(lèi)方案通常是在信號(hào)的傳輸鏈路中放置一個(gè)無(wú)源器件，將太赫茲信號(hào)能量散射到竊聽(tīng)者的接收機(jī)上，與利用發(fā)散角竊聽(tīng)方案相比，放置無(wú)源散射器件靈活性高，不易被合法接收者察覺(jué)，將大大威脅太赫茲鏈路的通信安全。

圖1 利用（a）發(fā)散角和（b）太赫茲反射、散射特性的竊聽(tīng)方案圖

圖2 太赫茲鏈路干擾攻擊方案圖

早期的研究主要聚焦于研究無(wú)源器件的基本屬性，如表面粗糙度或材料參數(shù)等[6–8]。近幾年，研究主要關(guān)注于器件具體應(yīng)用的測(cè)量[9–11]。文獻(xiàn)[9]在60 GHz 頻率下利用放置散射物體實(shí)現(xiàn)了視線傳播鏈路上的竊聽(tīng)。文獻(xiàn)[10]將圓柱體和金屬板作為散射物體在100 GHz、200 GHz 和400 GHz 等不同頻率下，對(duì)視線傳播路徑內(nèi)和附近產(chǎn)生影響。結(jié)果表明即使通過(guò)使用透鏡增強(qiáng)太赫茲信號(hào)的指向性，竊聽(tīng)者仍然可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的竊聽(tīng)。文獻(xiàn)[11]分析了辦公室內(nèi)的常見(jiàn)物品如咖啡杯、保溫杯和筆記本電腦等的反射和散射傳播特性并評(píng)估了竊聽(tīng)的可能性，進(jìn)一步驗(yàn)證了利用太赫茲信號(hào)的反射、散射特性對(duì)太赫茲鏈路進(jìn)行竊聽(tīng)的可能性，無(wú)源器件的放置將嚴(yán)重影響太赫茲鏈路的通信安全。

除竊聽(tīng)攻擊之外，干擾攻擊也會(huì)對(duì)太赫茲鏈路的通信安全造成威脅。文獻(xiàn)[12]在100 GHz 以上頻段以視線傳播的方式向合法接收者發(fā)射干擾信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)惡意干擾者的發(fā)射干擾功率和與合法接收端的耦合度成功破壞了合法通信雙方的信息傳輸。更值得注意的是，實(shí)驗(yàn)還驗(yàn)證了惡意干擾者即使發(fā)射干擾信號(hào)的頻率和合法通信中心頻率不一致也能干擾合法鏈路的信息傳輸，寬帶寬的高速信號(hào)傳輸對(duì)這種干擾非常敏感，將嚴(yán)重威脅依托超寬頻段的高速太赫茲通信技術(shù)的安全性。

2 基于量子噪聲流加密的光子太赫茲安全通信技術(shù)

2.1 量子噪聲流加密

針對(duì)太赫茲鏈路被竊聽(tīng)的安全性問(wèn)題，為保障太赫茲鏈路通信安全，物理層安全技術(shù)備受關(guān)注。與傳統(tǒng)的密碼學(xué)安全技術(shù)相比，基于物理復(fù)雜度的物理層安全加密方案借助通信網(wǎng)絡(luò)的物理資源實(shí)現(xiàn)對(duì)信息更安全的防護(hù)。1984 年美國(guó)科學(xué)家Bennett 和加拿大科學(xué)家Brassard 提出了利用光子偏振態(tài)攜帶比特信息的首個(gè)量子密鑰分發(fā)（QKD,Quantum Key Distribution）協(xié)議（BB84 協(xié)議）[13]，是迄今為止最為成熟和應(yīng)用最廣的量子通信技術(shù)，并已被證明理論無(wú)條件絕對(duì)安全[14-15]。然而，基于QKD 技術(shù)產(chǎn)生的密鑰傳輸距離和通信速率受到技術(shù)水平的限制，并且QKD 技術(shù)還存在與傳統(tǒng)光網(wǎng)絡(luò)融合性不高、成本較高等問(wèn)題[16]。因此，QKD 技術(shù)的在光子太赫茲無(wú)線通信領(lǐng)域的應(yīng)用受到一定程度的限制。作為另一種利用量子態(tài)的加密技術(shù)，QNSC 技術(shù)逐漸受到關(guān)注。QNSC 技術(shù)的主要支撐協(xié)議是Y-00 協(xié)議[17]，由美國(guó)西北大學(xué)Yuen 等人提出。協(xié)議提出將傳統(tǒng)密碼學(xué)流加密算法與物理層安全技術(shù)結(jié)合起來(lái)，首先利用密鑰流對(duì)傳輸信號(hào)加密，再利用量子噪聲對(duì)加密信號(hào)進(jìn)行加擾，其安全性是通過(guò)量子噪聲效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)信號(hào)被淹沒(méi)在量子噪聲中，竊聽(tīng)者必須通過(guò)測(cè)量量子噪聲才能竊取信號(hào)，而量子態(tài)的不可測(cè)量性和量子噪聲的隨機(jī)性無(wú)疑增大了竊聽(tīng)者的竊聽(tīng)難度，利用量子噪聲加密的信號(hào)安全性得到了極大的保障。

量子噪聲流加密主要包括兩部分：高階加密映射和量子噪聲擴(kuò)散。對(duì)于高階加密映射，如圖3 所示，以正交相移鍵控（QPSK,Quadrature Phase Shift Keying）信號(hào)為例，利用運(yùn)行密鑰加密基Ki實(shí)現(xiàn)QPSK 格式明文到高階強(qiáng)度鍵控（ISK,Intensity Shift Keying）或高階相位鍵控（PSK,Phase Shift Keying）或正交幅度調(diào)制（QAM,Quadrature Amplitude Modulation）格式密文的加密映射，運(yùn)行密鑰是利用發(fā)送加密方Alice 與合法接收方Bob共享的安全種子密鑰通過(guò)線性反饋移位寄存器（LFSR,Linear Feedback Shift Register）或高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES,Advanced Encryption Standard）算法擴(kuò)展得到[18–20]。高階映射加密計(jì)算公式為：

圖3 高階加密映射原理圖

其中Ui表示高階密文數(shù)據(jù)，Ki表示運(yùn)行密鑰加密基，Xi是明文比特?cái)?shù)據(jù)，Pol(Ki) 表示Ki奇偶性，|Ki| 是Ki的比特位長(zhǎng)度。圖3 展示了QPSK 信號(hào)加密映射為高階PSK信號(hào)和64-QAM 信號(hào)的原理。

量子噪聲擴(kuò)散主要是利用光電器件中固有的量子噪聲實(shí)現(xiàn)對(duì)高階加密信號(hào)的干擾。在量子噪聲加密理論[21]中，量子噪聲的大小與載波頻率成正比，因此利用量子噪聲在光域?qū)崿F(xiàn)保密通信展現(xiàn)出了具有巨大的潛力。在光纖通信方面，QNSC 技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了10 Gbit/s 以上加密信息的高速光纖傳輸[22–25]，圖4 所示為量子噪聲流加密有線融合技術(shù)裝置原理圖。文獻(xiàn)[22]將QKD 技術(shù)與QNSC技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)傳輸速率為70 Gbit/s 的128-QAM 實(shí)時(shí)量子噪聲流加密系統(tǒng)，是目前已知速率最高的實(shí)時(shí)量子噪聲流加密傳輸系統(tǒng)。文獻(xiàn)[23]實(shí)現(xiàn)了調(diào)制階數(shù)達(dá)220階，傳輸距離達(dá)1 000 km 的ISK-QNSC 光纖保密通信系統(tǒng)。文獻(xiàn)[24]實(shí)現(xiàn)了100 Gbit/s、214調(diào)制階數(shù)的ISK 加密信號(hào)無(wú)線傳輸。文獻(xiàn)[25]實(shí)現(xiàn)了調(diào)制階數(shù)高達(dá)218階的PSK-QNSC 光纖通信系統(tǒng)，傳輸距離突破10 110 km。文獻(xiàn)[26]定量分析和驗(yàn)證了基于QNSC 技術(shù)的光纖通信系統(tǒng)安全性。文獻(xiàn)[27-28]首次將DFT-OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用）引入QAM-QNSC 光纖通信系統(tǒng)中，提高了傳輸信號(hào)的質(zhì)量。

圖4 量子噪聲流加密有線融合技術(shù)裝置原理圖

在與無(wú)線通信技術(shù)融合方面，考慮到電學(xué)器件低頻倍增帶來(lái)的量子噪聲隨機(jī)化效果有限，加密通信技術(shù)方案主要采用外差探測(cè)原理實(shí)現(xiàn)信號(hào)從光域到射頻域的轉(zhuǎn)變，這充分利用了光域量子噪聲，有效地保障無(wú)線通信鏈路的安全，如圖5 所示分別為上變頻和下變頻方案實(shí)現(xiàn)量子噪聲流加密無(wú)線融合技術(shù)裝置原理圖。文獻(xiàn)[29]利用光電二極管（PD,Photodiode）在30 GHz 頻段實(shí)現(xiàn)了218階PSK 加密信號(hào)的無(wú)線傳輸，傳輸速率達(dá)12 Gbit/s，2022 年分別實(shí)現(xiàn)了1.875 GHz、4.25 Gbit/s、224調(diào)制階數(shù)的QAM 加密信號(hào)無(wú)線傳輸[30]和3.6 GHz、4.09 Gbit/s、216調(diào)制階數(shù)的PSK 加密信號(hào)無(wú)線傳輸[31]。然而，受限于PD 帶寬，通信傳輸速率明顯受限，單行載流子光電二極管（UTC-PD,Uni-Traveling-Carrier Photodiode）作為新型光電轉(zhuǎn)換器件，具有快速響應(yīng)和高飽和輸出等特點(diǎn)，成為超高速大容量無(wú)線通信必不可少的關(guān)鍵性元器件[32]，展現(xiàn)出在實(shí)現(xiàn)QNSC 安全無(wú)線通信方面巨大的潛力。

圖5 量子噪聲流加密無(wú)線融合技術(shù)裝置原理圖

QNSC 技術(shù)將傳統(tǒng)密碼學(xué)流加密算法與物理層安全技術(shù)結(jié)合起來(lái)，充分利用模數(shù)和數(shù)模的量化空間，利用量子噪聲實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)最大限度的遮掩，充分保證了數(shù)據(jù)的安全。此外，由于其特有的機(jī)制原理，QNSC 技術(shù)具有很強(qiáng)的靈活性，支持與現(xiàn)有的通信技術(shù)融合，并與現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備兼容，在大容量、高速率的光子太赫茲安全通信領(lǐng)域具有很廣闊的應(yīng)用前景。

2.2 太赫茲域量子噪聲流加密技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

針對(duì)QNSC 技術(shù)結(jié)構(gòu)靈活、支持與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)融合等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合基于光子學(xué)的太赫茲通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，文獻(xiàn)[33]提出了將光網(wǎng)絡(luò)QNSC 技術(shù)與光子太赫茲通信技術(shù)融合來(lái)實(shí)現(xiàn)太赫茲無(wú)線的安全通信的方案。如圖6 所示為基于量子噪聲流加密的光子太赫茲信號(hào)產(chǎn)生方案圖[33]。在加密端，光頻率梳（OFC,Optical Frequency Comb）用來(lái)產(chǎn)生相干的光載波以減少相位噪聲帶來(lái)的干擾。經(jīng)過(guò)一個(gè)波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)（WSS,Wave Selective Switch），兩個(gè)波長(zhǎng)以λ1和λ2為中心的相干光載波被濾出，分別作為調(diào)制載波和本振載波，兩載波頻率差與所需的太赫茲載波頻率fTHz一致。IQ 調(diào)制器輸出的光調(diào)制加密信號(hào)被放大后與波長(zhǎng)為λ2的本振載波耦合輸入寬帶UTC-PD 中，基于外差混頻原理，攜帶高階密文的光調(diào)制信號(hào)和光本振信號(hào)拍頻產(chǎn)生太赫茲頻段密文信號(hào)，實(shí)現(xiàn)量子噪聲流加密技術(shù)與光子太赫茲無(wú)線通信技術(shù)的無(wú)縫融合。

圖6 基于量子噪聲流加密的光子太赫茲信號(hào)產(chǎn)生方案圖[33]

2.3 基于量子噪聲流加密的光子太赫茲安全通信實(shí)驗(yàn)

基于量子噪聲流加密的光子太赫茲安全通信鏈路實(shí)驗(yàn)架構(gòu)如圖7 所示[33]。在發(fā)送端，激光器將中心波長(zhǎng)為1 550 nm 的光束輸入到由頻率為30 GHz 的射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)的相位調(diào)制器（PM,Phase Modulator）中產(chǎn)生OFC，其頻譜圖如圖7（a）所示。WSS 被用于從OFC 中過(guò)濾得到頻率之差為300 GHz 的兩路光信號(hào)，其中一路光信號(hào)作為光載波輸入到IQ 調(diào)制器中完成信號(hào)的調(diào)制，另一路光信號(hào)作為光本振與調(diào)制信號(hào)拍頻產(chǎn)生太赫茲信號(hào)。在發(fā)送端的數(shù)字信號(hào)處理模塊中，QPSK 格式的原始明文信號(hào)通過(guò)高階映射加密算法被映射為65 536（216）階PSK 或QAM 格式，實(shí)驗(yàn)采用OFDM 技術(shù)傳輸密文信號(hào)，任意波形發(fā)生器（AWG,Arbitrary Waveform Generator）將I 路和Q 路加密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，基帶頻譜如圖7（b）所示?；鶐Ъ用苄盘?hào)經(jīng)由電放大器放大后在IQ 調(diào)制器中調(diào)制到光載波上。光本振和光調(diào)制信號(hào)在UTC-PD 中拍頻產(chǎn)生中心頻率為300 GHz 的太赫茲信號(hào)。如圖7（c）所示為光本振與光調(diào)制信號(hào)耦合光譜圖。在接收端，太赫茲加密信號(hào)通過(guò)一個(gè)亞諧波太赫茲混頻器被下變頻為頻率為10 GHz 的中頻信號(hào)，如圖7（d）所示，隨后輸入數(shù)字采樣示波器（DSO,Digital Sampling Oscilloscope）中存儲(chǔ)以便離線處理。

圖7 基于量子噪聲流加密的光子太赫茲安全通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)架構(gòu)圖[33]

圖8 所示為保密通信系統(tǒng)鏈路傳輸誤比特率（BER,Bit Error Ratio）曲線[33]，其中，黑線為非法竊聽(tīng)方Eve在沒(méi)有正確種子密鑰時(shí)接收數(shù)據(jù)誤比特率曲線，紅為是合法接收方Bob 在已知正確種子密鑰時(shí)接收數(shù)據(jù)誤比特率曲線，藍(lán)線為合法接收方Bob 不采用加密方案?jìng)鬏數(shù)恼`比特?cái)?shù)據(jù)。當(dāng)輸入U(xiǎn)TC-PD 的光電流大于2.5 mA 時(shí)，QAM 加密映射和PSK 加密映射方案的誤比特率都可以達(dá)到KP4-FEC 極限2.2×10?4，F(xiàn)EC 開(kāi)銷(xiāo)約為5%。當(dāng)光電流大于0.8 mA 時(shí)，QAM 加密映射和PSK 加密映射方案誤比特率都可以達(dá)到HD-FEC 的極限3.8×10?3。系統(tǒng)的凈速率可計(jì)算得到為16 Gbits?1。此外，從圖8（a）與圖8（b）的對(duì)比中可以觀察到，相較于QAM 加密映射方案，PSK加密映射方案具有更低的誤比特率、更好的傳輸性能。一般認(rèn)為，當(dāng)非法竊聽(tīng)者Eve 的誤比特率為0.5 時(shí)，太赫茲通信鏈路可以實(shí)現(xiàn)最高的安全性，而當(dāng)Bob 的誤比特率最小時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)最高的鏈路可靠性。從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看到，對(duì)于沒(méi)有正確種子密鑰的Eve，兩種加密映射方案下的誤比特率都在0.5 左右，這意味著Eve 不能成功破解量子噪聲流加密的信號(hào)，而合法接收者Bob 能實(shí)現(xiàn)對(duì)誤比特率的控制以達(dá)到鏈路的最高可靠性。同時(shí)也可看到，量子噪聲流加密方案在一定程度上會(huì)降低通信鏈路的傳輸性能，但從鏈路安全性保障的角度看，加密方案更大地提升了鏈路的安全性，同時(shí)保證了合法接收方Bob 相較于非法竊聽(tīng)者Eve 具有更優(yōu)的傳輸性能，對(duì)通信鏈路更加有利。

圖8 傳輸誤比特率隨光電流大小變化曲線圖[33]

3 結(jié)束語(yǔ)

本文總結(jié)分析了目前太赫茲鏈路面臨者的竊聽(tīng)和干擾攻擊等安全性威脅，重點(diǎn)概述了光網(wǎng)絡(luò)物理層安全通信技術(shù)中的量子噪聲流加密技術(shù)，最后介紹了利用量子噪聲流加密保障光子太赫茲無(wú)線通信鏈路安全的方案，實(shí)現(xiàn)光子太赫茲無(wú)線通信技術(shù)與量子噪聲流加密技術(shù)的無(wú)縫融合，通過(guò)構(gòu)建基于量子噪聲流加密的光子太赫茲無(wú)線通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了16 Gbit/s 凈速率的太赫茲信號(hào)的安全無(wú)線傳輸，通過(guò)對(duì)比合法接收方Bob 與非法竊聽(tīng)方Eve 的傳輸性能驗(yàn)證了該系統(tǒng)的安全性。量子噪聲流加密和光子太赫茲無(wú)線通信技術(shù)展現(xiàn)出了實(shí)現(xiàn)超高速、大容量安全無(wú)線通信的巨大潛力。