criptografia Óptica mediante fatiamento e … · cada uma delas, de um desvio de fase e um atraso....

Anais do XX Encontro de Iniciação Científica – ISSN 1982-0178

Anais do V Encontro de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação – ISSN 2237-0420 22 e 23 de setembro de 2015

CRIPTOGRAFIA ÓPTICA MEDIANTE

FATIAMENTO E EMBARALHAMENTO ESPECTRAIS

DE SINAIS WDM

Afonso Felipe Borgonovi Christiano Engenharia Elétrica

CEATEC [email protected]

Marcelo Luís Francisco Abbade Grupo de Sistemas Fotônicos e Internet Avançada

CEATEC [email protected]

Resumo: O trabalho descrito consiste na análise da implantação totalmente óptica (não-linear) da NSPDE-2 para sinais QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying).

Para isto foram realizadas simulações no software VPI Transmission Maker. Os resultados não atingiram os objetivos esperados, mas através deles será possível

aprimorar a investigação dos problemas encontrados e solucioná-los em um trabalho futuro.

Palavras-chave: Comunicações ópticas, redes ópticas, criptografia.

Área do Conhecimento: Engenharias – Telecomunicações – CNPq.

1. INTRODUÇÃO Embora as fibras ópticas ofereçam um meio de transmissão de dados mais seguro que os cabos e o

ar, nos dias atuais já existem aparelhos acessíveis no mercado, e de baixo custo, que realizam o desvio não-instrusivo dos sinais em redes ópticas para terceiros

(usuários não-autorizados) [1]. Esse fato leva as operadoras de telecomunicações a, cada vez mais, elevarem suas preocupações em relação à segurança

de suas redes ópticas. A maneira mais comum de se contornar problemas

relacionados à segurança é realizando técnicas de criptografia, comumente aplicadas à Camada de Apresentação do modelo OSI (open systems

interconnection). Contudo, pesquisas atuais sugerem que a segurança das redes de comunicação pode ser melhorada se for implementada uma criptografia de

dados em cada uma das camadas do modelo OSI [2]. Atualmente [3-6], nosso grupo de pesquisa sugeriu uma maneira nova de se criptografar opticamente

sinais transmitidos por redes ópticas transparentes (transparent optical networks, TON). O que essa técnica realiza é, basicamente, a divisão de um sinal

óptico em fatias espectrais, e então, a aplicação, a cada uma delas, de um desvio de fase e um atraso. Depois dessas operações, uma nova versão,

codificada, do sinal original é originada ao se multiplexar as fatias espectrais. Dessa maneira, esse

sinal ao ser transmitido por uma TON e recebido por terceiros (usuários não-autorizados), em princípio, não será interpretado corretamente. Contudo, o

destinatário autorizado tem conhecimento dos desvios de fase e atrasos que foram aplicados às fatias espectrais, e, dessa forma, realiza a compensação

desses parâmetros para decodificar o sinal. Essa técnica de criptografia óptica é chamada de codificação espectral de fase e de atraso em banda

estreita (narrowband spectral phase and delay encoding, NSPDE).

Até pouco tempo atrás, a NSPDE tinha sido testada, através de simulações, para apenas um canal. Porém, essa técnica poderia ser aprimorada ainda mais se as

fatias espectrais de dois canais (cada um em sua portadora óptica, 𝑓1 e 𝑓2) fossem embaralhadas e

trocadas de posições entre si. Essa estratégia, chamada de NSPDE-2, e investigada nesse trabalho, pode ser realizada por meio de operações lineares ou

não-lineares. Com operações lineares, os dados de cada canal são modulados simultaneamente, nas portadoras 𝑓1 e 𝑓2 e, depois da NSPDE realizar a

codificação, um grupo de multiplexadores, demultiplexadores e filtros mesclam os dois sinais. Na

operação não-linear da NSPDE-2, conversores de frequência [7] são utilizados para que o embaralhamento das fatias espectrais dos dois canais

possa ser realizado.

2. NSPDE-2

Na NSPDE-2, é aplicada a mesma técnica de criptografia que a da NSPDE, porém para dois canais de sinais distintos. As fatias espectrais dos sinais dos

dois canais são, então, trocadas de posições entre si e ao passarem pelos codificadores, formam dois canais codificados. Ambos os sinais são, então, recuperados

após os canais codificados passarem pelos decodificadores e terem as fatias espectrais, que foram embaralhadas anteriormente, devolvidas aos

respectivos canais. Ao longo deste trabalho, foram realizados estudos sobre a implantação totalmente óptica (não-linear) da



NSPDE-2. Para isso, foram utilizados conversores de

frequência, de fibra óptica, para o embaralhamento das fatias espectrais dos dois canais centrados em 𝑓1 = 193,1𝑇𝐻𝑧 e 𝑓2 = 194,1𝑇𝐻𝑧. A Figura 1 ilustra o

diagrama de blocos do conversor utilizado, e as Figuras 2, 3 e 4 ilustram os espectros dos sinais antes

da fibra, depois da fibra, e depois do filtro passa-faixa utilizado para remover as frequências indesejadas do sinal convertido, respectivamente. Após o conversor

de frequência ser ajustado corretamente, foram iniciados os testes acerca da NSPDE-2.

Figura 1. Diagrama de Blocos do Conversor de

Frequência

Figura 2. Espectro do Sinal antes da Fibra

Figura 3. Espectro do Sinal depois da Fibra

Figura 4. Espectro do Sinal depois do Filtro

3. ARRANJO DE SIMULAÇÕES A Figura 5 corresponde ao diagrama de blocos, que representa o arranjo de simulação feito no software

VPI Transmisson Maker, utilizado nas simulações do trabalho. A potência de entrada de todos os bombeios dos conversores de frequência foram configuradas em

18 dBm, e a frequência central em 193,6 THz. Para os canais 1 e 2, consideraram-se sinais QPSK com 40 Gb/s e -14 dBm de potência. A frequência central do

canal 1 foi definida em 193,1 THz e a do canal 2 em 194,1 THz. A codificação óptica de ambos os canais foi realizada dividindo-se os sinais em 13 fatias

espectrais de aproximadamente 3,03 GHz cada, embaralhando as fatias espectrais dos dois canais, e aplicando-se, a cada uma delas, uma fase e um

atraso.

Figura 5. Diagrama de Blocos

O funcionamento esperado do esquemático era a codificação e viabilização das trocas

(embaralhamentos) das fatias espectrais dos sinais dos canais 1 e 2, gerados pelos transmissores Tx1 e Tx2, realizadas pelos codificadores E1 e E2, sua

decodificação e desembaralhamento realizadas pelos decodificadores D1 e D2, e finalmente a recuperação de ambos os sinais nos reseptores Rx d1 e Rx d2. Os

receptores Rx e1 e Rx e2 serviram apenas para ter a certeza de que os sinais estavam sendo devidamente codificados.

Ao longo das simulações foram surgindo alguns problemas, que serão explicados a seguir, que

impossibilitaram a recuperação dos sinais em Rx d1 e Rx d2. Assim, o foco do trabalho se direcionou para a investigação sobre a origem desses problemas, e para

o desenvolvimento de possíveis estratégias para saná-los.

4. RESULTADOS

4.1. Resultados Iniciais Os resultados a seguir, apresentados nas Figuras 6 e

7, são referentes a uma simulação realizada com todos os elementos da NSPDE-2 presentes, ou seja, realizando a codificação em fase e em atraso e

misturando as fatias espectrais dos dois canais. A mistura de fatias foi realizada conforme a Tabela 1. Na



Tabela 2 estão as chaves de codificação utilizadas,

onde a fase é dada em graus e o atraso em múltiplos do período de bits.

Os resultados obtidos com essas simulações não foram bons. A SER (Symbol Error Rate) dos canais 1 e 2 apresentaram um valor de 0,74.

Figura 6. Constelação do Canal 1 Decodificado


Tabela 1. Mistura de Fatias Espectrais

Tabela 2. Chaves de Codificação

4.2. Resultados Referentes aos Sinais sem

Codificação e sem Misturas de Fatias Espectrais Tendo em vista que a simulação com todos os elementos da NSPDE-2 habilitados não apresentou

bons resultados, foram realizadas novas simulações para avaliar a causa dos problemas. Os resultados a seguir, apresentados nas Figuras 8 e 9, são referentes

a uma simulação que não realizava a mistura das fatias espectrais dos canais, e com a codificação desabilitada, ou seja, essa simulação avaliou apenas

os efeitos inseridos nos sinais pelos conversores de

frequência. Os resultados obtidos com essas simulações foram

bons. A SER dos canais 1 e 2 apresentaram um valor inferior a 1E-15.



4.3. Resultados Referentes aos Sinais sem

Codificação e com a Mistura da Fatia Central Como os resultados com a codificação desabilitada e sem a mistura das fatias espectrais foram bons, nessa

nova simulação, a avaliação do problema continuou ao ser implementada a troca das fatias centrais de ambos os canais, mas ainda com a codificação desabilitada.

Dessa forma, foi avaliada como a troca das fatias espectrais influencia os sinais. Os resultados dessa nova simulação estão ilustrados nas Figuras 9 e 10.

A SER do canal 1 apresentou um valor de 0,06 e a do canal 2, 0,07. Os resultados obtidos com essa

simulação apontaram uma das possíveis origens dos problemas. Ao realizar a mistura das fatias espectrais centrais dos canais, surgiu uma distorção nos sinais

decodificados. Tendo em vista esse fato, foi realizada uma análise sobre as causas dessa distorção, que, então, tentou-se compensar nas simulações

subsequentes.





4.4.1. Resultados Referentes aos Sinais com Compensação de Fase

Levando em conta os resultados das últimas simulações, percebeu-se que os problemas surgiam ao misturar-se as fatias espectrais dos dois canais

entre si. A suspeita inicial era de que isso acontecia devido às fatias trocadas de posição passarem por um comprimento extra de fibra (dos conversores de

frequência). Então, ao tentar recuperar os sinais, eles sofriam essa distorção.

Assim, pensou-se em duas estratégias para a eliminação dessa distorção. A primeira delas, discutida a seguir, consistia na tentativa da compensação da

fase inserida aos sinais pela fibra dos conversores. Os testes realizados ainda utilizavam o arranjo experimental onde apenas a fatia central de cada

canal era trocada de posição, e ainda com a codificação em fase e atraso desabilitada.

Nas Figuras 11 e 12 estão ilustrados os resultados referentes aos melhores casos de compensação de fase, e nos Gráficos 1 e 2, como a variação da fase

influenciava na SER dos sinais decodificados. Os testes mostraram que, no melhor dos casos, uma fase de 280 graus inserida à fatia central do canal 1, e uma

fase de 80 graus inserida à fatia central do canal 2, recuperava ambos os sinais com SER < 1E-15.

Figura 11. Constelação do Canal 1 Decodificado – Fase

de 280 graus Inserida à Fatia Central

Figura 12. Constelação do Canal 2 Decodificado – Fase

de 80 graus Inserida à Fatia Central

Gráfico 1. SER em função da Fase – Canal 1



Gráfico 2. SER em função da Fase – Canal 2

4.4.2. Resultados Referentes aos Sinais com Compensação por Linha de Atraso A segunda estratégia para a compensação das

distorções consistia na adição de outras duas fibras ópticas ao esquemático. Uma das fibras foi inserida logo após a saída dos conversores de frequência, para

compensar os efeitos não-lineares, e, uma segunda, de comprimento igual à soma dos comprimentos das fibras usadas nos conversores de frequência, logo

após os dois transmissores para tentar compensar o atraso inserido pelas fibras dos conversores.

Na Figura 13 está ilustrado o resultado obtido com a compensação por linha de atraso. A SER do canal 1 apresentou um valor menor que 1E-15. Esse resultado

mostrou que a compensação por linha de atraso funciona na recuperação do sinal, assim, essa parece ser a solução para remover a distorção inserida ao

sinal.


5. CONCLUSÃO A partir da análise dos resultados obtidos com as etapas de simulações, pode-se dizer que nesse

primeiro contato com a NSPDE-2, ficou claro que existem aspectos que precisam ser levados em conta quanto às compensações da distorção dos sinais que

sofrem alteração da frequência central, ao passarem

pelos conversores de frequência. Pode-se dizer que as estratégias de compensação desenvolvidas nesse trabalho funcionam, mas que necessitam de

refinamento. Os resultados aqui apresentados servirão como base para esse refinamento, e talvez até mesmo para a elaboração de novas estratégias mais

eficientes. Assim, todos os resultados obtidos durante as etapas

de simulação desse trabalho serão utilizados como base em trabalhos futuros. Espera-se que com o refinamento das estratégias desenvolvidas, a NSPDE-

2 seja viável.

REFERÊNCIAS

[1] K. Shaneman, and S. Gray, "Optical network security: technical analysis of fiber tapping mechanisms and methods for detection & prevention,"

IEEE Military Communications Conference, vol. 2, pp. 711-716, 2004.

[2] K. Kitayama, M. Sasaki, S. Araki, M. Tsubokawa, A. Tomita, K. Inoue, K. Harasawa, Y. Nagasako, and A. Takada, "Security in Photonic Networks: Threats and

Security Enhancement," IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, vol. 29, pp. 3210-3222, November, 2011.

[3] M. L. F. Abbade ; L. A. Fossaluzza Junior ; C. A. Messani ; G. M. Taniguti ; E. A. M. Fagotto ; I. E.

Fonseca . All-Optical Cryptography through Spectral Amplitude and Delay Encoding. Journal of Microwaves, Optoelectronics and Electromagnetic

Applications, v. 12, p. 376-397, 2013. [4] M. L. F. Abbade, L. A. Fossaluzza Junior, R. F.

Silva, E. A. M. Fagotto. Criptografia Óptica Mediante Controle Analógico da Amplitude e do Atraso de Fatias Espectrais: Análise para Sinais NRZ. In: MOMAG

2012 (15º SBMO Simpósio Brasileiro de Micro-ondas e Optoeletrônica e 10º CBMag Congresso Brasileiro de Eletromagnetismo), 2012, João Pessoa- PB. Anais do

MOMAG 2012, 2012. p. ST-20.5.1-ST-20.5.6. [5] M. L. F. Abbade ; C. A. Messani ; C. J. Alves ; G.

M. Taniguti ; I. E. Fonseca ; Eric A. M. Fagotto. A new all-optical cryptography technique applied to WDM-compatible DPSK signals. In: 2013 15th International

Conference on Transparent Optical Networks (ICTON), 2013, Cartagena- Espanha. 2013 15th International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON).

p. 1-5. Trabalho Convidado. [6] C. A. Messani ; G. M. Taniguti ; C. J. Alves ; E. A.

M. Fagotto ; M. L. F. Abbade ; I. E. Fonseca . Transmission of Encrypted Optical Signals in a metropolitan WDM-compatible TON with Differential

Phase-shift Keying Modulation. In: 2013 SBMO/IEEE MTT-S International Microwave and Optoelectronics Conference, 2013, Rio de Janeiro. Proceedings of the



2013 SBMO/IEEE MTT-S International Microwave and

Optoelectronics Conference, 2013. [7] MARCONI, J ; CALLEGARI, F ; Abbade, M. L. F. ;

FRAGNITO, H . Field-trial evaluation of the Q-factor penalty introduced by fiber four-wave mixing wavelength converters. Optics Communications, v.

282, p. 106-116, 2009.

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