Criptografia de sinais por codificação espectral de fase e embaralhamento espectral de amostras em redes ópticas transparentes

Abstract

A segurança da informação tornou-se um tema de grande importância devido às altas taxas de transmissão e ao crescente número de usuários e dispositivos conectados à Internet. O uso de técnicas de criptografia tem se mostrado uma solução eficaz para dificultar a interceptação e compreensão não autorizada do conteúdo das informações transmitidas. Este trabalho avalia a viabilidade de técnicas de criptografia na camada física, aplicadas a sinais propagados em uma rede óptica transparente (transparent optical network, TON), desenvolvida em um ambiente computacional. As técnicas de criptografia avaliadas incluem codificação de fase espectral, embaralhamento espectral intercanais e intracanal, baseados em processamento digital de sinal (spectral phase encoding, spectral shuffling, and scrambling in digital signal processing, SPE-SS-Scr-DSP) com o uso de chaves dinâmicas (dynamic key, DK). Estas técnicas foram aplicadas a sinais com dupla polarização, em diferentes taxas de transmissão e sinalizações. A geração, criptografia, descriptografia e recuperação dos sinais foram realizadas no software Matlab®, enquanto a TON foi desenvolvida no software VPITransmissorMaker™, simulando a propagação de sinais em um sistema de comunicação óptico com detecção coerente. A principal métrica utilizada para avaliar a qualidade do sinal e a viabilidade das técnicas foi o alcance obtido após a propagação do sinal por um determinado comprimento de enlace de fibra óptica, considerando uma taxa de erro de bit (bit error ratio, BER) específica. Sinais criptografados transmitidos por uma ou por duas rotas possuíram valores de BER superiores ao limite de correção para frente de erro (forward error correction, FEC). No entanto, as técnicas de criptografia empregadas, bem como as melhorias desenvolvidas, não geraram penalidades significativas aos sinais transmitidos e recuperados por uma única rota em comparação com os sinais não criptografados. Já os sinais com modulações distintas transmitidos por duas rotas, sendo uma rota com comprimento de fibra óptica fixo e a outra com comprimento variado, mostraram um alcance maior do que os sinais transmitidos por apenas uma rota. As técnicas desenvolvidas mostraram uma boa viabilidade para aplicações em redes ópticas.

Information security has become a critical issue due to high transmission rates and the growing number of users and devices connected to the Internet. The use of cryptography techniques has proven to be an effective solution to hinder the unauthorized interception and understanding of the transmitted information content. This study evaluates the feasibility of physical-layer cryptography techniques applied to signals propagating in a transparent optical network (TON) within a simulated environment. The evaluated cryptographic techniques include spectral phase encoding, spectral shuffling, and scrambling, all implemented using digital signal processing (SPE-SS-Scr-DSP) with a dynamic key (DK). These techniques were applied to dual-polarized signals, at different transmission rates and signal formats. The generation, encryption, decryption, and recovery of the signals were performed using Matlab® software, while the TON was developed using VPITransmissorMaker™ software, simulating signal propagation in an optical communication system with coherent detection. The main metric used to assess the signal quality and the feasibility of the proposed techniques was the reach obtained after signal propagation over a given length of optical fiber, considering a specific bit error ratio (BER). Encrypted signals transmitted over one or two routes showed BER values above the forward error correction (FEC) limit. However, the cryptography techniques employed, as well as the improvements made, did not significantly degrade the performance of signals transmitted and recovered over a single route when compared to their unencrypted counterparts. Signals transmitted and recovered with different modulations over dual routes demonstrated greater reach than signals transmitted and recovered through a single route. This better performance is attributed to the fixed length of one path and the variable length of the other, and to the influence of propagating two signals with different modulations. The developed techniques have shown promising potential for application in optical networks.