CN104821872B - 一种用于连续变量量子密钥分发系统的位帧同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于连续变量量子密钥分发系统的位帧同步方法，属于数据传输领域。所述发明包括令发送端在数据符号中随机选取位置将同步头插入，构成数据序列，令接收端接收数据序列，对数据序列进行抽样判决，在接收端的匹配滤波器中通过所述第一数据进行帧同步检测，令接收端的本地时钟发生器对所述本地m序列发生器进行同步处理。本发明通过令发送端将同步头随机插入数据符号中构成用于发送至接收端的数据序列，进而令接收端根据接收到的数据序列依次进行帧同步、位同步，从而使得发送端和接收端实现同步，进而实现同步后数据的准确传输，使得连续变量量子密钥分发系统中数据传输具有一定的安全性，提高了该系统内同步方法的可靠性。

Description

一种用于连续变量量子密钥分发系统的位帧同步方法

技术领域

本发明涉及数据传输领域，特别涉及一种用于连续变量量子密钥分发系统的位帧同步方法。

背景技术

连续变量量子密钥分发(continuous-variable quantum key distribution)是有别于传统通信的一项技术，其主要利用测不准原理和量子态不可克隆定理来实现通信的无条件安全。对于发送端发送过来的信息，接收端如何保证安全可靠的接收数据显得尤为重要。

传统的同步方案中采用的是“搜索式”位帧同步法，即发送端构造一串位帧数据列，通过光路发送给接收端，在事先知道发送者构造的位帧数据列格式的情况下，接收者搜索位同步段，帧同步段。位、帧均同步成功后启动用于协商的随机数据的接收。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

这种方案简单快捷，但在低信噪比的环境下同步效果差，且抵御攻击的能力很弱，严重影响了CVQKD系统的整体系能。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种用于连续变量量子密钥分发系统的位帧同步方法，所述用于连续变量量子密钥分发系统的位帧同步方法包括：

令发送端在数据符号中随机选取位置将同步头插入，构成数据序列，将所述数据序列发送至接收端，其中所述同步头包括同步头1和同步头2；

令接收端接收所述数据序列，对所述数据序列进行抽样判决，得到判决序列，其中所述判决序列包括与所述同步头1对应的第一数据，以及与所述同步头2对应的第二数据；

在所述接收端的匹配滤波器中通过所述第一数据进行帧同步检测，得到检测结果，当所述检测结果大于预设阈值时，生成位同步启动信号，触发下一步的位同步处理；

令所述接收端的本地m序列发生器生成本地m序列1和本地m序列2，结合所述第二数据，使所述接收端的本地时钟发生器对所述本地m序列发生器进行同步处理。

可选的，所述令发送端在数据符号中随机选取位置将同步头插入，构成数据序列，将所述数据序列发送至接收端，其中所述同步头包括同步头1和同步头2，包括：

在数据符号中随机选取位置插入同步头，构成数据序列，所述同步头包括同步头1和同步头2，其中所述同步头1为63位的m序列，所述同步头2为127位的m序列，所述数据符号为真随机数；

通过幅度-相位调制器对所述数据序列的幅度和相位进行调制，得到满足高斯调制相干态的调制数据序列；

将所述调制数据序列发送至接收端。

可选的，所述令接收端接收所述数据序列，对所述数据序列进行抽样判决，得到判决序列，包括：

令接收端接收所述数据序列，将所述数据序列进行检测，并将所述数据序列恢复为模拟的电信号；

对所述模拟的电信号结合判决阈值进行抽样判决，得到判决序列，所述判决序列包括与所述同步头1对应的第一数据，以及与所述同步头2对应的第二数据。

可选的，所述在所述接收端的匹配滤波器中通过所述第一数据进行帧同步检测，得到检测结果，当所述检测结果大于预设阈值时，生成位同步启动信号，包括：

在匹配滤波器中存储有本地m序列，使用移位寄存器接收第一数据；

在所述移位寄存器中，每读取所述第一数据中的一位子数据时，根据所述子数据结合所述本地m序列进行相关运算，得到与所述子数据对应的相关值；

当所述相关值大于预设阈值时，判定帧同步检测成功，生成位同步启动信号。

可选的，令所述接收端的本地m序列发生器生成本地m序列1和本地m序列2，结合所述第二数据，使所述接收端的本地时钟发生器对所述本地m序列发生器进行调节，完成所述位同步处理，包括：

令接收端的本地m序列发生器生成本地m序列1和本地m序列2，所述本地m序列1相对于标准时间超前1/NΔ时刻，所述本地m序列2相对于所述标准时间滞后1/NΔ时刻，其中N根据实际情况进行调整；

令第二数据分别与所述本地m序列1和所述本地m序列2进行相关运算，分别得到与所述本地m序列1对应的第一相关值和与所述本地m序列2对应的第二相关值，进而得到所述第一相关值和所述第二相关值的差值；

将所述差值发送至所述接收端的本地时钟发生器，令所述本地时钟发生器生成与所述第二数据格式相同的测试序列，根据所述差值和所述测试序列，对所述本地m序列发生器生成序列的相位进行调整，进而使得所述接收端与所述发送端达到同步。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

通过令发送端将同步头随机插入数据符号中构成用于发送至接收端的数据序列，进而令接收端根据接收到的数据序列依次进行帧同步、位同步，从而使得发送端和接收端实现同步，进而实现同步后数据的准确传输，使得连续变量量子密钥分发系统中数据传输具有一定的安全性，提高了该系统内同步方法的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种用于连续变量量子密钥分发系统的位帧同步方法的流程示意图；

图2是本发明提供的一种用于连续变量量子密钥分发系统的位帧同步方法的中数据序列的结构示意图；

图3是本发明提供的一种用于连续变量量子密钥分发系统的位帧同步方法中对数据序列调制后的相位示意图；

图4是本发明提供的一种用于连续变量量子密钥分发系统的位帧同步方法中帧同步检测的流程示意图；

图5是本发明提供的一种用于连续变量量子密钥分发系统的位帧同步方法中位同步检测的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的结构和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的结构作进一步地描述。

实施例一

本发明提供了一种用于连续变量量子密钥分发系统的位帧同步方法，如图1所示，所述用于连续变量量子密钥分发系统的位帧同步方法包括：

101、令发送端在数据符号中随机选取位置将同步头插入，构成数据序列，将所述数据序列发送至接收端，其中所述同步头包括同步头1和同步头2。

102、令接收端接收所述数据序列，对所述数据序列进行抽样判决，得到判决序列，其中所述判决序列包括与所述同步头1对应的第一数据，以及与所述同步头2对应的第二数据。

103、在所述接收端的匹配滤波器中通过所述第一数据进行帧同步检测，得到检测结果，当所述检测结果大于预设阈值时，生成位同步启动信号，触发下一步的位同步处理。

104、令所述接收端的本地m序列发生器生成本地m序列1和本地m序列2，结合所述第二数据，使所述接收端的本地时钟发生器对所述本地m序列发生器进行调节，完成所述位同步处理。

在实施中，进行发送端和接收端时间同步的方式简单来说，分为发送端构建并发送数据序列—接收端接收并转换数据序列—接收端根据转换后的数据序列进行同步处理，通过这三个流程的实施，可以令接收端根据数据序列进行运算，从而将接收端和发送端的时刻进行同步，进而实现接收端对发送端发送消息的准确接收，不会出现数据丢失的情况。

在“发送端构建并发送数据序列”这个过程中，发送端在构建包含同步头和数据符号的数据序列时，用在数据符号中随机插入同步头的方式，替代原有的简单将同步头放置在数据符号之间构成数据序列的方式，这样增加了数据序列内部结构的复杂度，从而使得构建的数据序列不容易被破解，具备一定的抗攻击性，提高了该同步方法的可靠性。

由于在构建数据序列时对原有的序列结构进行了改变，因此对应的，在“接收端根据转换后的数据序列进行同步处理”这步中，也需要接收端在同步处理过程中的帧同步阶段对改变后的数据序列结构进行调整，进而在位同步过程中实现同步，在确保根据该同步方法能够实现发送端和接收端二者同步的前提下，同样提高该同步方法的可靠性。

本实施例提供一种用于连续变量量子密钥分发系统的位帧同步方法，通过令发送端将同步头随机插入数据符号中构成用于发送至接收端的数据序列，进而令接收端根据接收到的数据序列依次进行帧同步、位同步，从而使得发送端和接收端实现同步，进而实现同步后数据的准确传输，使得连续变量量子密钥分发系统中数据传输具有一定的安全性，提高了该系统内同步方法的可靠性。

可选的，所述令发送端在数据符号中随机选取位置将同步头插入，构成数据序列，将所述数据序列发送至接收端，其中所述同步头包括同步头1和同步头2，包括：

在数据符号中随机选取位置插入同步头，构成数据序列，所述同步头包括同步头1和同步头2，其中所述同步头1为63位的m序列，所述同步头2为127位的m序列，所述数据符号为真随机数；

通过幅度-相位调制器对所述数据序列的幅度和相位进行调制，得到满足高斯调制相干态的调制数据序列；

将所述调制数据序列发送至接收端。

在实施中，发送端首先构造数据符号R，将同步头随机插入到数据符号R中的某个位置，这里为了缩短后期的同步时间，一般来说将同步头插入到数据符号R的中部较为合理，从而构成的数据序列如图2所示。

其次，将构成的数据序列通过幅度-相位调制器对所述数据序列的幅度和相位进行调制，具体的，将序列中的二进制元素1调制成幅度为V₁的电平，0调制成V₂，V₁-V₂＝V_π，V_π是电光相位调制器的半波电压，即使前后两个脉冲相位相差180°所需的电压。这样可以在接收端检测器很容易检测到脉冲幅度的变化。调制后的数据即为满足高斯调制的相干态。调制后的数据序列结构示意图如图3所示，其中T_c为一个码元持续时间。

在现有技术中以同步头作为序列开头的同步方式，攻击者很清楚同步头的位置，便会对其发动攻击，一方面，攻击会扰乱同步头的数据信息，使接收端同步成功的概率大大降低，另一方面，同步成功的概率降低时，攻击者可能会得到部分信息，这对量子保密通信来说是非常不利的。在本步中构成数据序列时，通过把用于同步的同步头1和同步头2随机的插入到数据符号R中，这样对于攻击者开说，由于并不清楚同步头的位置，攻击难度大大提高，侧面反映出数据传输具有一定的安全性，提高了该同步方法的可靠性。

可选的，所述令接收端接收所述数据序列，对所述数据序列进行抽样判决，得到判决序列，包括：

令接收端接收所述数据序列，将所述数据序列进行检测，并将所述数据序列恢复为模拟的电信号；

对所述模拟的电信号结合判决阈值进行抽样判决，得到判决序列，所述判决序列包括与所述同步头1对应的第一数据，以及与所述同步头2对应的第二数据。

在实施中，令接收端接收数据序列，首先将数据序列恢复为模拟的电信号，之后进行抽样判决，具体如下：

将电信号中幅值大于0的信号判决为1，否则判决为0，判决后的序列由依次的C(k₁)，C(k₂)以及R'组成，分别对应发送序列中的同步头1、同步头2和数据符号R，以便于接下来进行帧同步检测以及位同步。

可选的，所述在所述接收端的匹配滤波器中通过所述第一数据进行帧同步检测，得到检测结果，当所述检测结果大于预设阈值时，生成位同步启动信号，包括：

在匹配滤波器中存储有本地m序列，使用移位寄存器接收第一数据；

在所述移位寄存器中，每读取所述第一数据中的一位子数据时，根据所述子数据结合所述本地m序列进行相关运算，得到与所述子数据对应的相关值；

当所述相关值大于预设阈值时，判定帧同步检测成功，生成位同步启动信号。

在实施中，进行帧同步检测是利用第一数据跟匹配滤波器中抽头的本地m序列进行相关运算来判决检测效果。如图4所示，数字匹配滤波器中用一个63位的存储器存储本地m序列，接收数据用一个63位的移位寄存器。当同步头1对应的C(k₁)输入进来时，每当一个脉冲到来时，让序列在移位寄存器中移动一位，并进行一次相关运算。运算式如式1：

式(1)中N表示m序列的长度。按着m序列的相关特性，只有当C(k₁)跟本地m序列完全同步时，相关值才达到峰值，即：

如图4所示，接收端在进行帧同步检测时，会设置一个阈值α来进行门限判决。只有当相关值大于阈值α时，才认为达到了同步。实际系统中，α只能无限的靠近相关峰值，不能达到完全相同。门限判决后，相关值作为位同步同步的启动信号。

这里值得注意的是，由于之前在发送端构建的数据序列的数据结构已经发生了变化，因此，针对本方法中的数据序列，需要对以上检测方式进行改动，详情如下：

数据序列进入数字匹配滤波器进行相关运算，发送序列的前端不再是同步头，而是数据符号，因此，当数据序列进入移位寄存器时，基于m序列的特性，刚开始并不会出现相关峰值，直到63位的同步头1通过匹配滤波器时，才会出现相关峰值。此时，判定帧同步检测成功。

经过该步骤后，完成了同步检测中的帧同步检测步骤，判定帧同步检测成功，进而生成位同步启动信号，便于后续的位同步检测。

可选的，如图5所示，令所述接收端的本地m序列发生器生成本地m序列1和本地m序列2，结合所述第二数据，使所述接收端的本地时钟发生器对所述本地m序列发生器进行调节，完成所述位同步处理，包括：

令接收端的本地m序列发生器生成本地m序列1和本地m序列2，所述本地m序列1相对于标准时间超前1/NΔ时刻，所述本地m序列2相对于所述标准时间滞后1/NΔ时刻，其中N根据实际情况进行调整；

令第二数据分别与所述本地m序列1和所述本地m序列2进行相关运算，分别得到与所述本地m序列1对应的第一相关值和与所述本地m序列2对应的第二相关值，进而得到所述第一相关值和所述第二相关值的差值；

将所述差值发送至所述接收端的本地时钟发生器，令所述本地时钟发生器生成与所述第二数据格式相同的测试序列，根据所述差值和所述测试序列，对所述本地m序列发生器生成序列的相位进行调整，进而使得所述接收端与所述发送端达到同步。

在实施中，令本地接收端通过本地m序列发生器生成本地m序列1和本地m序列2，相对于标准时间，本地m序列1提前1/NΔ时刻，本地m序列2相对于所述标准时间滞后1/NΔ时刻，其中N根据实际情况进行调整。

接下来，将第二数据分别与本地m序列1和本地m序列2进行相关运算，得到第一相关值和第二相关值，进而将第一相关值与第二相关值做差，得到差值。

进一步的，将差值发送至接收端的本地时钟发生器，在本地时钟发生器内生成与第二数据格式相同的测试序列，便于根据该测试序列，对本地m序列发生器内生成序列的相位进行调整，使得第二数据与本地m序列发生器生成的序列达到同步的状态，也就实现了位同步，在位同步成功后，本地时钟发生器输出作为数据符号接收的启动信号的信号，之后接收端开始从发送端接收数据符号用于后续协商。

一般地，差值β＝0时达到严格同步，即第二数据与本地序列同相位。具体试验系统中，β只能无限趋近于0，为了使同步效果更好，一般通过调节N来缩短超前或滞后的相位。

至此，通过接收端依次完成帧同步和位同步，从而实现在连续变量密钥分发系统中的位帧同步，相对于现有的同步方法，可以提高发送端和接收端数据传输的安全性，以及同步方法的可靠性。

本实施例提供一种用于连续变量量子密钥分发系统的位帧同步方法，通过令发送端将同步头随机插入数据符号中构成用于发送至接收端的数据序列，进而令接收端根据接收到的数据序列依次进行帧同步、位同步，从而使得发送端和接收端实现同步，进而实现同步后数据的准确传输，使得连续变量量子密钥分发系统中数据传输具有一定的安全性，提高了该系统内同步方法的可靠性。

需要说明的是：上述实施例提供的位帧同步方法进行同步的实施例，仅作为该位帧同步方法中在实际应用中的说明，还可以根据实际需要而将上述位帧同步方法在其他应用场景中使用，其具体实现过程类似于上述实施例，这里不再赘述。

上述实施例中的各个序号仅仅为了描述，不代表各部件的组装或使用过程中得先后顺序。

以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于连续变量量子密钥分发系统的位帧同步方法，其特征在于，所述用于连续变量量子密钥分发系统的位帧同步方法包括：

令发送端在数据符号中随机选取位置将同步头插入，构成数据序列，将所述数据序列发送至接收端，其中所述同步头包括同步头1和同步头2；

令接收端接收所述数据序列，对所述数据序列进行抽样判决，得到判决序列，其中所述判决序列包括与所述同步头1对应的第一数据，以及与所述同步头2对应的第二数据；

在所述接收端的匹配滤波器中通过所述第一数据进行帧同步检测，得到检测结果，当所述检测结果大于预设阈值时，生成位同步启动信号，触发下一步的位同步处理；

令所述接收端的本地m序列发生器生成本地m序列1和本地m序列2，结合所述第二数据，使所述接收端的本地时钟发生器对所述本地m序列发生器进行调节，完成所述位同步处理。

2.根据权利要求1所述的用于连续变量量子密钥分发系统的位帧同步方法，其特征在于，所述令发送端在数据符号中随机选取位置将同步头插入，构成数据序列，将所述数据序列发送至接收端，其中所述同步头包括同步头1和同步头2，包括：

在数据符号中随机选取位置插入同步头，构成数据序列，所述同步头包括同步头1和同步头2，其中所述同步头1为63位的m序列，所述同步头2为127位的m序列，所述数据符号为真随机数；

通过幅度-相位调制器对所述数据序列的幅度和相位进行调制，得到满足高斯调制相干态的调制数据序列；

将所述调制数据序列发送至接收端。

3.根据权利要求1所述的用于连续变量量子密钥分发系统的位帧同步方法，其特征在于，所述令接收端接收所述数据序列，对所述数据序列进行抽样判决，得到判决序列，包括：

令接收端接收所述数据序列，将所述数据序列进行检测，并将所述数据序列恢复为模拟的电信号；

对所述模拟的电信号结合判决阈值进行抽样判决，得到判决序列，所述判决序列包括与所述同步头1对应的第一数据，以及与所述同步头2对应的第二数据。

4.根据权利要求1所述的用于连续变量量子密钥分发系统的位帧同步方法，其特征在于，所述在所述接收端的匹配滤波器中通过所述第一数据进行帧同步检测，得到检测结果，当所述检测结果大于预设阈值时，生成位同步启动信号，包括：

在匹配滤波器中存储有本地m序列，使用移位寄存器接收第一数据；

在所述移位寄存器中，每读取所述第一数据中的一位子数据时，根据所述子数据结合所述本地m序列进行相关运算，得到与所述子数据对应的相关值；

当所述相关值大于预设阈值时，判定帧同步检测成功，生成位同步启动信号。

5.根据权利要求1所述的用于连续变量量子密钥分发系统的位帧同步方法，其特征在于，所述令所述接收端的本地m序列发生器生成本地m序列1和本地m序列2，结合所述第二数据，使所述接收端的本地时钟发生器对所述本地m序列发生器进行调节，完成所述位同步处理，包括：

令接收端的本地m序列发生器生成本地m序列1和本地m序列2，所述本地m序列1相对于标准时间超前1/NΔ时刻，所述本地m序列2相对于所述标准时间滞后1/NΔ时刻，其中N根据实际情况进行调整；

令第二数据分别与所述本地m序列1和所述本地m序列2进行相关运算，分别得到与所述本地m序列1对应的第一相关值和与所述本地m序列2对应的第二相关值，进而得到所述第一相关值和所述第二相关值的差值；

将所述差值发送至所述接收端的本地时钟发生器，令所述本地时钟发生器生成与所述第二数据格式相同的测试序列，根据所述差值和所述测试序列，对所述本地m序列发生器生成序列的相位进行调整，进而使得所述接收端与所述发送端达到同步。