CN104780035A - 一种量子密钥分发系统位帧同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量子密钥分发系统位帧同步方法，包括步骤如下:步骤A：构造同步帧:随机构造与分发的连续变量同分布的同步帧；步骤B：计算同步位:对接收数据进行相关运算，确定数据中的同步位；所述连续变量为密钥分发系统通过量子信道传输的取值连续的信号；所述相关运算为使用本地数据与接收数据进行数学上的互相关运算。本发明通过重新设计同步帧信号，并在同步帧中添加相位信息，实现了对信道中不同的相位漂移值的容忍，并最终实现同步功能。同时，同步过程可以在极低的信噪比条件下进行。

Description

一种量子密钥分发系统位帧同步方法

技术领域

本发明涉及计算机信息技术，具体是一种量子密钥分发系统位帧同步方法。

背景技术

在计算机信息技术迅速发展的背景下，信息技术对信息安全性的要求日益增加。近年来，连续变量量子密钥分发技术引起了广泛关注，因为其既能在物理上保证通信的无条件安全性，又相比与离散变量量子密钥分发技术具有更高的通信速率和效率的前景。目前连续变量量子密钥分发吸引了世界上许多研究机构对其理论和应用技术进行了深入的研究。连续变量量子密码通信(CV-QKD，Continuous VariableQuantum Key Distribution)因其具有物理的无条件安全性而成为通信技术的一个重要分支。然而，出于安全性考虑，CV-QKD系统需要在弱光条件下工作，这导致了接受端接受的信号具有极低的信噪比(通常SNR小于0.1)，这给接受数据的位帧同步工作(在接收信号中找出正确的信号起始位)造成了很大的困难。同时，只有在正确的位帧同步下后续的数据后处理(协商过程)才能够产生密钥，因此位帧同步对于CV-QKD系统来讲具有重要的作用。

传统的一种解决方案是使用“强弱光”方案，即在量子信号前添加一段光强较强的同步信号，使接收端能够以较高的信噪比对同步信号进行判决。但是这种方案给系统增加了不少复杂性，如需要增加额外的强度调制器从而形成强弱光效果。同时，由于这种方案是基于对同步信号中交替脉冲的判断从而实现同步，任意的信道相位漂移将对同步信号造成很大的影响，是同步效果急剧下降。

发明内容

为了能够在极低的信噪比中以极高的正确率恢复出同步信号并确定同步位,同时能够抵抗信道中的相位漂移，使同步过程能够在任意相位漂移值下进行，本发明提供了一种量子密钥分发系统的位帧同步方法,通过重新设计同步帧信号，并在同步帧中添加相位信息，实现了对信道中不同的相位漂移值的容忍，并最终实现同步功能。同时，同步过程可以在极低的信噪比条件下进行。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种量子密钥分发系统位帧同步方法，包括步骤如下:

步骤A：构造同步帧:随机构造与分发的连续变量同分布的同步帧；

步骤B：计算同步位:对接收数据进行相关运算，确定数据中的同步位；

所述连续变量为密钥分发系统通过量子信道传输的取值连续的信号，是后续用来提取安全密钥的基础；

所述相关运算为使用本地数据与接收数据进行数学上的互相关运算。

优选的，所述步骤A包括如下步骤：

步骤A1：确定所要发送信号的信号方差(信号幅度)；

步骤A2：根据步骤A1所确定的信号方差，随机构造一组与信号同分布的同步帧信号。

优选的，所述步骤B包括如下步骤：

步骤B1：接收方对接收到的信号进行逐位相关运算；

步骤B2：根据相关运算中出现的情况判定信号的起始脉冲，当且仅当相关运算出现相关峰时，可以判定当前脉冲为信号的起始脉冲。

优选的，构造的同步帧信号同时包含幅度和相位分量，从而能够在信道中对信道的相位漂移做出感应。

优选的，所述幅度分量和相位分量，是指量子信道中传输的量子态在希尔伯特空间中极坐标表示下的两个分量。

优选的，进行相关运算时，需要对至少4种相位预设信息进行判断，从而消除信道中相位漂移对同步判决的影响。

优选的，所述相位预设，是指接收端在同步时构造若干个和原始同步信号具有一定相位差的信号，并使用这组同步信号对接收信号进行同步。通过相位预设可以保证同步信号中总存在一个信号的相位与接收信号的相位具有较小的差异，从而提高同步成功率。

本发明的原理为:在构造同步帧的过程中，需要对同步帧进行“相位分解”操作，即为同步帧添加相位信息，使得信道中的相位漂移不会造成所有同步帧数据的幅度削减，保证同步过程能够在不同的信道相位漂移值下工作。在发送端，发送者只需要在发送数据之前添加生成好的同步帧数据。接收方在接收到信号后，虽然信号具有非常低的信噪比，难以从幅度上判断数据的起始位，但是接收方可以构造和发送端相同的同步帧，并随之构造与同步帧相差固定相位的辅助同步帧，通过将所构造的同步帧与接收信号逐位进行相关操作，即可在相关值达到最大值并超过同步判决门限时确定数据的起始点.

本发明具有以下有益效果:

1)使用相关函数进行同步可以保证同步过程在极低的信噪比条件下进行。

2)本发明所设计的同步帧结构能够很好地抵抗信道中的随机相位漂移，并在任意相位漂移值下进行可靠同步。

3)本发明所设计的同步帧具有和信号帧同分布的特点，因此攻击者无法针对同步信号展开单独攻击，具有更高的安全性。

附图说明

图1为本发明实施例一种量子密钥分发系统位帧同步方法的方案流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在连续变量量子密钥分发系统中，Alice(发送方)发送的量子态是服从高斯调制的，即量子态的位置和动量都服从高斯分布。发送端通过在幅度调制器AM上加载服从瑞利分布的信号并在相位调制器PM上加载均匀分布的信号使发送数据服从高斯分布。为了能够使同步帧同样服从高斯分布，可以预先随机生成一组服从高斯分布的同步信号，并进而对同步信号进行K阶量化。量化的目的是使接收端在做相关运算时减少乘法数量，确保同步算法的实时性。

产生服从高斯分布的同步信号后，由于同步信号仅包含幅度信息，信道中的任意相位漂移都会导致同步信号中所有脉冲的幅度减小，并给接收端的同步造成极大的影响，因此还需要对同步信号进行相位分解，即：使同步帧信号的相位分布在0～2π区间内，使接收端可以通过模拟信道中的相位漂移值对同步信号进行恢复。

如图1所示，相位分解的过程可以按照如下过程实现：

设同步信号为X＝{x₁,x₂,...,x_L}，则可以构造如下两个与X等长的信号：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_i=1\\ p_i={\cos }^{-1}\left(\frac{x_i}{\max \left(X\right)}\right)\end{array}\right.i=\mathrm{1,2},...,L\backslash *\mathrm{MERGEFORMAT}---\left(1\right)$

则R＝{r₁,r₂,...,r_L},P＝{p₁,p₂,...,p_L}分别为X的幅度和相位信息，即X＝R·cos(P)。

显然，相位分解的方式并不是唯一的，更精确地，可以令R为瑞利分布的变量且P为均匀分布的变量：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_i=\sqrt{x_i^2+g_i^2}\\ p_i={\cos }^{-1}\left(\frac{s_i}{\sqrt{s_i^2+g_i^2}}\right)\end{array}\right.,i=\mathrm{1,2},...,L\backslash *\mathrm{MERGEFORMAT}---\left(2\right)$

其中G＝(g₁,g₂,...,g_L)为随机产生的高斯变量。

上式(1)中的方法最为简便且具有良好的同步性能，(2)式中的方法具有均匀分布的相位和瑞利分布的幅度，可以克服信号调制过程中器件低频响应不理想的情况。通过将分解后的R和P分别加载到发送端的幅度调制器和相位调制器上，即可重新调制出原同步信号，经过信道传输后，接收端通过在不同的相位区间内进行同步检测，即可最终获得同步点。

实施低信噪比下相位无关的位帧同步方法的具体步骤如下：

(1)Alice端随机产生长为L的高斯信号作为同步信号，L的取值可从200至4000之间选取以适应不同的信道参数，对应的信号信噪比为SNR＝-10dB至SNR＝-30dB。

(2)发送方对长为L的同步信号逐位进行K阶量化，即：将同步信号的每个脉冲归一化至最近的量化电平。K应大于8以保证高斯分布特性，但过大的K将导致接收方同步时过大的运算量，取K＝8可以满足绝大多数应用。

(3)接收方进而对同步信号进行相位分解，并将分解后的幅度信号和相位信号分别加载在相位调制器和幅度调制器上。

(4)发送方通过经典信道通知接收方所使用的同步序列。

(5)接收方根据同步序列构造4组具有相位差异的序列：

(6)接收方使用上述4组数据对接收到的数据分别做相关运算，则对于信道中的任意相位漂移值与4组数据的相位差异最大值为45°。而在±45°区间内，同步算法都能以很好的区分度找到相关运算结果中的峰值，并进而进行准确的同步位判断。

通过以上过程，即可在极低的信噪比条件及存在相位漂移的信道中实现位帧同步。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种量子密钥分发系统位帧同步方法，其特征在于，包括步骤如下:

步骤A：构造同步帧:随机构造与分发的连续变量同分布的同步帧；

步骤B：计算同步位:对接收数据进行相关运算，确定数据中的同步位；

所述连续变量为密钥分发系统通过量子信道传输的取值连续的信号；所述相关运算为使用本地数据与接收数据进行数学上的互相关运算。

2.根据权利要求1所述的量子密钥分发系统位帧同步方法，其特征在于，所述步骤A包括如下步骤：

步骤A1：确定所要发送信号的信号方差；

步骤A2：根据步骤A1所确定的信号方差，随机构造一组与信号同分布的同步帧信号。

3.根据权利要求1所述的量子密钥分发系统位帧同步方法，其特征在于，所述步骤B包括如下步骤：

步骤B1：接收方对接收到的信号进行逐位相关运算；

步骤B2：根据相关运算中出现的情况判定信号的起始脉冲，当且仅当相关运算出现相关峰时，可以判定当前脉冲为信号的起始脉冲。

4.根据权利要求2所述的量子密钥分发系统位帧同步方法，其特征在于，构造的同步帧信号同时包含幅度和相位分量，从而能够在信道中对信道的相位漂移做出感应。

5.根据权利要求4所述的量子密钥分发系统位帧同步方法，其特征在于，所述幅度分量和相位分量，是指量子信道中传输的量子态在希尔伯特空间中极坐标表示下的两个分量。

6.根据权利要求3所述的量子密钥分发系统位帧同步方法，其特征在于，进行相关运算时，需要对至少4种相位预设信息进行判断，从而消除信道中相位漂移对同步判决的影响。

7.根据权利要求6所述的量子密钥分发系统位帧同步方法，其特征在于，所述相位预设，是指接收端在同步时构造若干个和原始同步信号具有一定相位差的信号，并使用这组同步信号对接收信号进行同步。