基于CSI动态密钥分发的W波段毫米波光纤无线系统物理层安全与传输可靠性协同优化研究

针对毫米波光纤无线系统(MMW-RoF)存在的安全漏洞与传输可靠性问题，研究人员提出基于信道状态信息(CSI)的动态密钥分发(CSI-DKD)方案，结合混沌加密与极化码纠错技术，实现双向扩散、星座掩蔽和子载波扰频三重加密。实验表明，该方案在误码率10-3时获得3.25 dB光功率增益，为物理层安全与性能协同优化提供创新思路。

　　

随着5G/6G时代的到来，毫米波光纤无线系统(MMW-RoF)因其大带宽、低时延特性成为超高速通信的核心载体。然而，传统RoF系统采用广播式信号分发机制，使得中央站(CS)至基站(BS)的传输链路极易被非法用户截获。更棘手的是，现有物理层安全方案往往顾此失彼——混沌加密虽能提升安全性却忽视传输可靠性，而纠错编码技术又缺乏动态密钥机制。这种"安全-性能"的博弈困境，严重制约着MMW-RoF在军事、金融等高敏感场景的应用。

针对这一挑战，来自长沙的研究团队在《Optical Fiber Technology》发表创新成果。他们巧妙利用无线信道特有的强随机性和快速时变特性，构建了信道状态信息驱动的动态密钥分发(CSI-DKD)体系。该系统通过三重技术创新：首先将CSI与密钥生成协议结合实现"一次一密"(OTP)；其次采用Chua混沌和超混沌系统生成非线性序列，完成OFDM信号的双向扩散、星座掩蔽和子载波扰频三维加密；最后引入极化码纠正传输误码。这种"动态密钥+混沌加密+极化纠错"的协同设计，首次在W波段MMW-RoF系统中实现了安全性与可靠性的共优化。

关键技术方法包括：基于CSI的同步序列密钥分发机制、Chua's混沌与超混沌系统的非线性序列生成、OFDM信号的三阶段加密（双向扩散/星座掩蔽/子载波扰频）、极化码(码长256-1024，码率1/2-11/16)的误码校正，以及16-QAM调制与Hermitian对称处理。实验采用1024点IFFT/FFT，循环前缀(CP)长度为符号长度的1/16。

Principle
系统通过伪随机二进制序列(PRBS)生成原始数据，CSI驱动混沌系统产生加密序列。创新性地采用双向扩散算法，使数据在时频域实现双重混淆，密钥空间较传统方案扩大10¹⁵倍。

Experimental setup
搭建W波段MMW-RoF实验平台，测试不同极化码参数组合下的性能。特别设计256点实部16-QAM符号与256点厄米特对称共轭符号的结构，零填充至1024点以适配IFFT规模。

Experimental results and discussion
安全性方面：密钥初始值敏感性测试显示，10^-10量级的偏差即可导致解密失败；抗攻击实验中，非法用户破解所需光功率较合法用户高8.7 dB。可靠性方面：在误码率10^-3阈值下，加密系统较传统OFDM获得3.25 dB接收光功率增益；CCDF曲线证实，加密信号峰均比(PAPR)恶化仅0.8 dB。

Conclusion
该研究开创性地将CSI的动态特性与混沌加密、极化编码深度融合，解决了MMW-RoF系统安全与可靠性的协同优化难题。实验证实，CSI-DKD方案既能通过时变密钥实现物理层"一次一密"，又可借助极化码维持传输性能，为未来太赫兹通信的安全架构提供了可扩展的技术范式。Yaoqiang Xiao等学者特别指出，该方案中密钥分发与数据加密的松耦合设计，使得系统可兼容量子密钥分发等前沿技术，具有显著的技术前瞻性。