CN106452605B - 一种基于迭代原理的量子通信的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于量子通信技术领域，具体为一种基于迭代原理的量子通信的方法与装置。本发明采用基于迭代原理的量子通信接收机，首先由波束分束器对信号进行分区，即分为若干互不重叠的子分区；然后由位移操作单元利用平移算符将分区后的信号与本振场进行相干叠加；再由光子计数器PNRD对信号进行光子检测；最后由ESE和DEC解码器对信号进行解码，获得接收信号；其中，利用迭代检测方法，更新接收信号的先验信息，对信号实现软解调。本发明具有优良的译码性能，可应用于量子通信系统中。

Description

一种基于迭代原理的量子通信的方法与装置

技术领域

本发明属于量子通信技术领域，具体涉及一种基于迭代原理的量子通信的方法与装置。

背景技术

近些年来，随着科学技术的不断进步，基于量子电动力学和量子假设检验为基础的量子接收机理论逐渐应用于激光通信中系统中，其特点在于激光信号从发射端到接收端的传播和接受集中的测量不再使用经典电磁理论进行描述，而是将电磁场进行量子化之后，使用量子电动力学进行描述，接收机进行解调时的理论依据也由经典假设检验理论变成量子假设检验，在量子接收机中，测量与解调相互联系不再独立。

经过近四十年的发展，二元调制激光通信系统中量子接收机的设计，在理论和实验研究两个方面已经取得了一定成果。先后提出了Kennedy接收机、Dol ina接收机、最优位移量子接收机和分区检测量子接收机等设计方案。其中，由于分区检测量子接收机具有潜在的高数据速率运行能力，并且可以通过调节分区数目来平衡接收机性能与接收机实现复杂度，在工程应用上具有较大优势。分区检测量子接收机将每个符号间隔分为若干个相邻的小间隔,在每个小间隔内采用最优位移量子接收机进行探测。

本发明主要基于迭代原理，在发送端采用M-ary PSK调制情况下，构建了基于迭代原理的量子通信接收机，并推导了基于迭代原理检测算法。从仿真结果中可以看出，本系统有优良的通信性能，可并且可以抵抗由于实际情况中的模式失衡与光电接收器的量子效率与暗计数等不利因素的影响，可应用于量子通信系统中。

发明内容

本发明的目的在于提出一种抗干扰能力强、计算复杂度低、检测性能好的量子通信装置与方法。

本发明提出的量子通信装置，是基于迭代原理的。所述量子通信装置是一种基于迭代原理的量子接收机，其结构如图1所示。该接收机包括波束分束器、位移操作单元光子计数单元PNRD和迭代检测单元；迭代检测单元由基本信号检测模块(ESE)与译码模块(DEC) 组成；其中，波束分束器用于对信号进行分区，即将接收到的信号分为N个互不重叠的子分区；位移操作单元利用平移算符将分区后的信号与本振场进行相干叠加；光子计数器(采用 PNRD检测器)对上述平移后的信号进行光子检测，得到的信号通过ESE和DEC进行解码，获得接收信号；其中利用迭代检测方法，更新接收信号的先验信息，降低干扰，对信号实现软解调。

进一步，定义M-ary PSK相干态|α_m>,m＝0,1,...,M-1为：

|α_m>＝|αu^m>,u＝e^2πi/M (1)。

接收机将接收信号|α_m>分为相邻的互不重叠的N个分区，第j个分区内对应的信号|α_m,j>为：

且有|α_m,1|²+|α_m,2|²+...+|α_m,N|²＝|α_m|²。

在第j各分区内，接收机首先通过位移操作单元将波束分束器接收到的信号|α_m,j> 与相应的本振场进行相干叠加，则第j个分区内的场强为：

其中，ξ为模式失配因子。第j个分区内的本征场满足：

上式中，m^*由迭代检测的结果所给出。

平移后的信号经过光子计数单元，即PNRD检测器检测出光子数为n_j，对于可以探测n个光子的PNRD检测器，若输入的相干态为|α_m>，平移后的信号为检测出n_j个光子数的概率为：

第j个分区内调制信号|α_m,j>的后验概率P_{post_m,j}可以通过下式计算：

P_m,j为先验概率；在ESE模块中，已知n_j，求解最大后验概率，并判定的取值，后验概率P_{post_m,j}表示第j个分区内调制信号|α_m,j>的后验概率，并根据后验概率得到比特信息的外对数似然比λ^e(x)，DEC模块根据外对数似然比λ^e(x)计算比特信息的先验对数似然比λ^a(x)，经过一定次数的迭代，最终通过后验对数似然比进行硬判决输出

进一步，对于PNRD检测器，公式(6)中的先验概率P_m,j为：

其中，η和ν为接收器的量子效率与暗计数。

在ESE模块中，比特的后验对数似然比为：

其中，和分别为外对数似然比与先验对数似然比。

对于第一次迭代检测，先验对数似然比设定为0，即故先验概率P_{post_m,1}为：

故根据公式(6)，可以得到后验对数似然比

从而，外对数似然比为：

在DEC模块中，输出的先验对数似然比等于后验对数似然比即：

从而在下一次迭代中将更新的先验对数似然比回代公式(9)。本振场的取值m^*可

得到。经过若干次迭代，恢复信号可以通过对硬判决得到。

将公式(12)带入公式(9)，更新先验概率P_{post_m,j}，即初始概率分布使用软值进行迭代更新，从而得到更加精确的先验概率估计，进而得到更加精确的后验概率描述。在每一轮迭代结束时将最大后验概率的一组留下，根据公式(10)计算其并根据公式(11)与公式(12)更新进而更新P_m进行下一次PNRD分区检测。迭代一定次数以后，DEC进行软判决得到译码结果

根据上述内容，本发明提供的基于迭代原理的量子通信的方法，采用基于迭代原理的量子通信装置，即量子接收机，具体步骤为：首先由波束分束器对信号进行分区，即分为若干互不重叠的子分区；然后由位移操作单元利用平移算符将分区后的信号与本振场进行相干叠加；再由光子计数器PNRD对信号进行光子检测；最后由ESE和DEC解码器对信号进行解码，获得接收信号；其中，利用迭代检测方法，更新接收信号的先验信息，对信号实现软解调。

本发明主要针对量子通信系统的接收机，提出一种基于迭代原理的量子通信接收机，应用了本发明中所述的基于迭代原理的单用户迭代检测算法，更新接收信号的先验信息，降低干扰，对信号实现软解调。仿真结果表明，该接收机能够提供较好的检测性能。

本发明优点：

(1)基于迭代原理的量子通信接收机能够得到较好的通信性能；

(2)基于迭代原理的量子通信接收机使用了迭代软解调的接收方法，其接收复杂度较低；

(3)所述的迭代原理的迭代检测算法，能够在不同信道条件下能够提供较好的检测性能；

(4)所述的接收机有效提高抵抗接收器的非理想特性等不利因素的扰能力。

附图说明

图1为基于迭代原理的量子接收机结构图。

图2为基于迭代原理的量子接收机的误码率性能。

图3为基于迭代原理的量子接收机在不同模式失配因子下的误码率性能。

图4为基于迭代原理的量子接收机在不同量子效率下的误码率性能。

图5为基于迭代原理的量子接收机在不同暗计数下的误码率性能。

具体实施方式

如图1所示，接收机包括波束分束器、位移操作单元光子计数单元PNRD和迭代检测单元，其中迭代检测单元由基本信号检测(ESE)与译码模块(DEC)组成。仿真了系统的量子接收机的误码性能，同时仿真了不同模式失配因子下系统的性能。

图2仿真了系统的量子接收机的误码性能。从仿真可知，本系统的性能优于标准量子极限 (SQL)，与分区检测量子接收机有1.09dB的性能增益，更加接近Helstrom物理极限，充分说明了本系统的优越性能。

图3为基于迭代原理的量子接收机在不同模式失配因子下的误码率性能，从图得出在模式失配因子为0.94时，系统的性能与标准量子极限相当，充分说明了本系统可以抵挡一定程度的模式失配。

图3和图4分别为基于迭代原理的量子接收机在不同量子效率与不同暗计数下的误码率性能，从图得出在量子效率为0.75或暗计数为10^-3时，系统的性能与标准量子极限相当，充分说明了本系统可以抵挡一定程度的量子效率与暗计数带来的不利影响。

由以上的仿真可知，使用基于迭代原理的量子通信的方法使激光通信系统可以模式失配因子等非理想的情况对通信系统的实际应用的系统产生的不良影响。同时基于迭代原理的量子通信方法，使得激光通信系统具有优秀的误码性能，并且抵抗由于模式适配、量子效率与暗计数带来的不利影响。

Claims (2)

1.一种基于迭代原理的量子通信装置，为量子接收机，其特征在于，该接收机包括波束分束器、位移操作单元、光子计数单元PNRD和迭代检测单元；迭代检测单元由基本信号检测模块（ESE）与译码模块（DEC）组成；其中，波束分束器用于对信号进行分区，即分为若干互不重叠的子分区；位移操作单元利用平移算符将分区后的信号与本振场进行相干叠加；光子计数器采用PNRD检测器，对上述平移后的信号进行光子检测；得到的信号通过ESE和DEC进行解码，获得接收信号；其中利用迭代检测方法，更新接收信号的先验信息，对信号实现软解调；

各模块的工作流程为：

定义M-ary PSK相干态为：

； (1)

接收机的波束分束器将接收信号分为相邻的互不重叠的N个分区，第j个分区内对应的信号为：

(2)

且有；

在第j各分区内，接收机首先通过位移操作单元，将波束分束器接收到的信号与相应的本振场进行相干叠加，则第j个分区内的场强为：

(3)

其中，为模式失配因子；第j个分区内的本征场满足：

(4)

上式中，由迭代检测的结果所给出；

平移后的信号经过光子计数单元，即PNRD检测器检测出光子数为，对于可以探测n个光子的PNRD检测器，若输入的相干态为，平移后的信号为，检测出个光子数的概率为：

； (5)

第j个分区内调制信号的后验概率通过下式计算：

， (6)

为先验概率，在ESE模块中，已知，求解最大后验概率，并判定的取值，后验概率表示第j个分区内调制信号的后验概率并根据后验概率得到比特信息的外对数似然比，DEC模块根据外对数似然比计算比特信息的先验对数似然比，经过一定次数的迭代，最终通过后验对数似然比进行硬判决输出；

进一步：

对于PNRD检测器，公式(6)中的先验概率为：

. (7)

其中，和为接收器的量子效率与暗计数；

在ESE模块中，比特的后验对数似然比为：

, (8)

其中，和分别为外对数似然比与先验对数似然比；

对于第一次迭代检测，先验对数似然比设定为0，即；则先验概率为：

(9)

故根据公式(6)，得到后验对数似然比：

(10)

而外对数似然比为：

(11)

在DEC模块中，输出的先验对数似然比等于后验对数似然比，即：

(12)

从而在下一次迭代中将更新的先验对数似然比回代公式(9)；

而本振场的取值从：

(13)

得到；经过若干次迭代，恢复信号 即通过对硬判决得到。

2.一种基于权利要求1所述量子通信装置的基于迭代原理的量子通信方法，采用基于迭代原理的量子通信装置，即量子接收机，具体步骤为：

首先由波束分束器对信号进行分区，即分为若干互不重叠的子分区；

然后由位移操作单元利用平移算符将分区后的信号与本振场进行相干叠加；

再由光子计数器PNRD对信号进行光子检测；

最后由ESE和DEC解码器对信号进行解码，获得接收信号；其中，利用迭代检测方法，更新接收信号的先验信息，对信号实现软解调。