无源光网络（PON）由于高容量、低成本特性,逐渐成为接入网应用的主要解决方案。PON中正交频分复用（OFDM）技术日益成为一个热点,它具备用户数可灵活配置,具有高频谱效率、对光纤色散不敏感等特征。由于PON中下行传输数据一般采用广播的模式,导致PON中用户信息容易被非法光网络单元（ONU）窃听。因此,为了提高用户数据的传输安全性,需要对传输数据进行加密处理。目前,数据的加密方法主要在网络上层如介质访问控制层（MAC）及以上实施,而且仅对传输的数据本身加密,而数据头等信息未采取加密措施,这样容易导致用户信息的泄露,可能被非法方采用存储的方法来解密用户的数据。因此,本文针对光纤通信OFDM-PON系统,具体研究了如何进行光物理层中的数据加密技术,来有效增强数据在光纤传输过程中的安全性,避免用户信息的泄露。本文提出了基于数字混沌进行动态正交幅度调制（QAM）映射的思想,研究了光OFDM-PON系统中增强光物理层安全的QAM动态映射技术。基于所提出的这些新的动态QAM映射思想,设计了传输中的光信号数据实现灵活、动态的QAM映射的技术方案。同时由于数字混沌的引入,光OFDM-PON保密传输系统获得了巨大的密钥状态空间,极大地提升了在物理层传输中光信号的安全性。相对于之前已有的物理层数据加密方案,数字混沌通常用于对OFDM符号的操作,如符号置乱（Scrambling）或置换（Permutation）等,而本文的动态QAM映射技术根本性地改变了传输光信号的传统QAM映射分式,所形成的动态QAM映射涵盖了QAM映射分式的扩散（Diffusion）及置乱操作,因此满足了密码学对于数据扰乱和扩散的基本要求,进一步有效地提高了光OFDM-PON保密传输系统的安全性。具体研究成果如下:1.基于星座图整体位移的动态QAM映射技术根据传统的QAM映射方法,所有光OFDM数据符号在星座图上的点固定在预定的位置上。按固定映射法则,无法进行动态的QAM映射,这样所加密的数据无法占据星座图上的任意位置,故不能提供足够强的安全防御手段。为了克服传统QAM加密方案中存在的这一缺点,我们提出了基于星座图整体位移的动态QAM映射加密新技术。在该技术方案中,原始的光OFDM信号中的QAM符号可以被动态地移动到星座图复平面的任何一个新位置,而其关键位移参数由一个三维数字混沌所决定。由于各个QAM符号的动态位移是相互独立的,相对于固有QAM,这些星座图经过位移操作之后,表现为多个移位后的星座图的叠加,对于非法ONU（攻击者）而言,是一幅充满噪声的星座图。攻击者即使在信道估计后,从星座图也难以恢复原始光信号数据。QAM的位移映射客观上增加了星座图的置乱程度,随着多值置乱的累积增加,非法ONU可能将其与更高阶QAM映射相混淆,因此原始的M-QAM调制格式得以安全地隐藏。为了验证本技术方案,本文成功演示了9.4 Gb/s的16-QAM光OFDM信号数据的保密传输实验,采用了20-km长的标准单模光纤（SSMF）进行光信号保密传输。与传统的静态QAM调制方法相比,采用本加密技术方案基于数字混沌置乱后的动态星座图,传输后光信号的功率代价为2 d B。通过星座图整体位移的动态映射这一技术方案,系统的安全性得到了极大的提升,可提供的密钥空间为10163。2.基于约束星座图区域的改进型动态QAM映射技术在上述第一种保密传输技术方案的基础上,我们发展并提出了另一种改善的QAM的动态映射新方案,改进的目标是有效控制QAM动态映射的区域范围,这样在实现动态QAM映射的同时,有望降低其功率代价,以提高光信号的传输性能。在该加密方案中,QAM符号的动态映射由一个超混沌控制,混沌参数用于选择传统QAM维度内的任意一个点,然后将原始QAM符号映射到其本身点和混沌选择点的中点位置。该QAM映射法则变革了传统的QAM映射方式,同样产生了一个充满噪声的QAM星座图,而且最后形成的星座图区域范围得到了有效控制。研究表明,只有具有正确密钥的合法ONU,才能从接收到的该噪声星座图中正确解密传输的数据。而对于非法ONU,基于接收到被噪声严重干扰的星座图,由于无法获得数字混沌的正确密钥,因此无法正确解密,传输数据的安全性得到有效增强。最终,我们采用该技术进行加密,实验演示了9.4 Gb/s,16-QAM光OFDM信号数据的安全传输实验,光纤长度是25-km。与星座图整体位移的动态映射技术相比,本技术进一步提升了光信号的传输性能,而且功率代价得到了改善,仅为1 d B,并将密钥空间提高到了10310。3.基于圆形QAM的动态映射技术圆形QAM映射,其独立的两个维度是径向与相位,针对圆形QAM,我们也提出了相应的动态圆形QAM映射技术方案。该方案中,数字混沌被用于随机、动态地更改星座图中各点的径向、相位的值,其动态映射的参数由一个超混沌所控制。圆形QAM映射对QAM符号的相位进行了偏移处理,而该方案中,相位的偏移量是数字混沌所控制的,具备随机性,故每个QAM符号会具有不同的动态、随机的相移。这些随机的相移可以提高OFDM信号的传输性能。此外,对于每个QAM符号,还对其半径进行了混沌动态更改,更改后的半径将增加或减小QAM符号间的距离。随着距离的增加,误码率（BER）性能将得到提高;但是,距离的减小也将导致BER性能的降低。为了平衡BER的整体性能,我们预定义了最小径向半径与最大径向半径,这样动态映射仅允许在最小半径与最大半径之间调整。在相移与半径映射的共同作用下,接收机接收到的是一个充满噪声（动态调整过）的星座图。在OFDM-PON实验中,采用了22-km长的光纤,成功演示了9.4 Gb/s,16-QAM光OFDM信号数据的加密传输。此外,由于采用了动态圆形QAM映射,得到的功率代价仅为0.25d B。这与本文之前的两种加密技术相比,系统传输性能上又得到了一定的提高。对比本文提出是所有数据加密技术,圆形QAM映射方案获得了最小的功率代价值,其传输性能最佳。在该方案中,由多重数据加密产生了10340的密钥空间,进一步增强了数据传输物理层中的安全性能。总之,本文提出并验证了光OFDM-PON系统中,采用数字混沌的方式,在光物理层探讨了进行动态的QAM固定映射的方法和技术,来有效提高光网络信号的传输安全性问题。我们提出的三种解决方案都实现了QAM星座图的动态映射。此外,我们在确保物理层安全性能提升的基础上,比较了各种加密技术方案的优越性及其传输性能。以上基于数字混沌来实现动态QAM映射的技术方案,可望用于未来OFDM-PON系统中,以实现光网络数据的安全传输。