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近年来,随着IPTV、4k/8k视频、虚拟现实等新兴业务的不断涌现,终端用户对接入带宽、接入容量和接入业务能力的需求越来越高。无源光网络(Passive Optical Network,PON)作为一种有效的终端接入技术可实现光纤到户(Fiber To The Home,FTTH)被认为是低成本解决宽带光接入问题的最佳方案之一,已成为未来光接入网的重要发展方向。同时,光正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)以其高频谱利用率,灵活的资源分配,低成本和抗色散能力强等优点被广泛研究,已为下一代PON系统研究的主流技术之一。然而,由于PON系统采用点到多点的集中网络架构,下行数据传输采用广播的信息分发模式极易被非法者窃听,对用户的隐私安全造成了极大威胁。为此,本文针对如何在OFDM-PON系统中实现基于数字混沌的物理层加密算法展开了研究。本文首先从混沌的原理出发,分析混沌的基本特性以及应用于加密的优势,结合OFDM调制过程实现数据在时频域的混沌加密;再者,通过理论和仿真验证了所提出的新型混沌序列生成技术,OFDM-PON系统的物理层安全性增强方案,OFDM-PON系统的抗选择明文攻击加密方案以及密钥保护方案;然后,采用强度调制/直接检测方式在20km单模光纤上进行10Gb/s的OFDM信号传输验证上述方案。其中主要研究内容包括以下几个部分:(1)介绍了OFDM-PON系统安全性研究的背景和意义,阐述了国内外的OFDM-PON传输系统的物理层混沌加密研究现状,并分析了目前国内外研究方案所存在的缺陷,以及提出了相应的改进方法。(2)提出了应用于OFDM-PON系统的新型混沌序列生成技术,并通过混沌吸引子的相位图和李雅普诺夫指数,验证了所生成混沌序列的高度随机性。(3)设计了基于数字混沌加密的OFDM-PON系统物理层安全性增强方案,并针对OFDM调制出现的高峰均功率比(Peak to Average Power Ratio,PAPR)而带来系统性能降低的问题,提出混沌啁啾矩阵方案和混沌子载波预留法方案用于同时实现OFDM信号的PAPR降低和数据加密;此外,针对OFDM-PON系统的物理层加密方案中密钥空间小和明文扩散性弱的问题,提出了细胞自动机来扩展密钥空间和明文扩散。(4)研究了OFDM-PON系统的抗选择明文攻击加密和动态密钥方案,针对传统加密方案中明文和密文的单一映射关系,提出了基于细胞神经网络的Feistel变换加密方案来生成动态密文,达到明密文间动态的映射关系。针对密钥分发的安全性问题,提出了动态密钥同时实现密文的动态变化和密钥保护。