CN107645358B - 一种用于连续变量量子密钥分发中的码率自适应数据协调方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于连续变量量子密钥分发中的码率自适应数据协调方法。其实现步骤如下，步骤1：根据参数估计对时变信道信噪比的估计，计算信道容量，再计算出纠错码校验矩阵的码率；步骤2：Alice根据原始校验矩阵码率和步骤1得到的最优校验矩阵码率，采用删余算法和缩短算法分别计算出删余比特数和缩短比特数，然后产生一组随机数标定删余比特和缩短比特的位置并发送给Bob。步骤3：Alice和Bob利用新的校验矩阵进行编译码。实际信道的数据变化很快，而我们无法拥有适用于所有数据的校验矩阵。本发明可以随着时变信道信道状态的改变而灵活调整码率，能够适应不同信噪比的信道，提升协调效率，从而提升系统的安全码率。

Description

一种用于连续变量量子密钥分发中的码率自适应数据协调 方法

技术领域

本发明涉及码率自适应LDPC码领域，具体涉及连续变量量子密钥分发后处理中的码率自适应数据协调方法，尤其适用于时变信道，可以随着信道参数的改变灵活调整LDPC码的码率，提高协调效率，保证纠错性能，从而提升系统的安全码率。

背景技术

信息技术的迅速发展使得人们越来越重视信息安全。随着技术的发展，现有的密码体系受到了严峻的挑战。基于量子力学原理的量子密钥分发(Quantum KeyDistribution，QKD)技术受到了人们的青睐，其绝对安全性保证了信息安全。连续变量量子密钥分发(Continuous Variable Quantum Key Distribution，CV-QKD)相比于离散变量量子密钥分发(Discrete Variable Quantum Key Distribution，DV-QKD)在信号的产生、检测等方面具有很大的优势，而且在短距离情况下可以获得更高的安全码率。因此，CV-QKD吸引了很多的学者对其进行研究。

CV-QKD主要分为两个阶段，量子通信阶段和经典通信阶段。由于量子信道的不完美性，容易受到噪声以及窃听者等的干扰。双方的数据只是具有关联性，是有误码的，因此需要通过经典通信进行纠错。

纠错是CV-QKD中非常重要的一步，相比于DV-QKD，在长距离CV-QKD中量子信号十分微弱，信噪比极低，因此纠错难度极大。低密度奇偶校验码(LDPC码)是目前最逼近Shannon极限的信道纠错码，它是一种线性分组码。其校验矩阵具有稀疏性，即矩阵中非零元素个数远低于零元素个数，这种稀疏性保证了LDPC码是一种低复杂度、高性能的好码。虽然传统LDPC码的性能逼近Shannon极限，但是在信噪比极低的情况下，仍旧很难纠错，因此产生了多边类型LDPC码，其主要特点是拥有多种类型的边，加入了度数为1的变量节点，这种结构非常适合低信噪比译码。

实际系统中由于校验矩阵的个数是有限的，且实验数据变化很快，而我们无法拥有适应于所有实验数据的校验矩阵。目前在实验中只能使用现有与之接近且信噪比低于该组数据的校验矩阵进行纠错，会降低协调效率，从而降低系统的安全码率。因此现有的算法只适合信道基本不变的情况。对于时变信道，通常需要根据信道状态调整码率，即码率自适应，这就要求LDPC码的码率灵活可变。因此为了适应时变信道的CV-QKD，研究一种适合CV-QKD的码率自适应数据协调方法很有必要。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是为了解决在时变信道中码率需要灵活可变这一问题，而提出的一种用于连续变量量子密钥分发中的码率自适应数据协调方法，以保证多边类型LDPC码的纠错性能。

(二)技术方案

本发明的一种用于连续变量量子密钥分发中的码率自适应数据协调方法通过以下步骤实现：

步骤1：根据CV-QKD中参数估计步骤对时变信道信噪比SNR的估计，计算信道容量C，然后计算出纠错码LDPC码的最优校验矩阵的码率R；

步骤2：Alice根据原始校验矩阵码率R₀和步骤1得到的最优校验矩阵码率R，采用删余算法和缩短算法分别计算出删余比特数p和缩短比特数s。然后产生一组长度为(p+s)的随机数标定删余比特和缩短比特的位置并发送给Bob。

步骤3：Alice和Bob利用新的校验矩阵进行编译码。

步骤1的具体步骤如下：

步骤1A：根据CV-QKD后处理中参数估计对时变信道信噪比SNR的估计结果，计算信道容量

步骤1B：计算LDPC码校验矩阵的最优码率R＝C·β，其中β为协调效率。

步骤2的具体步骤如下：

步骤2A：Alice根据原始校验矩阵码率R₀和步骤1得到的最优校验矩阵码率R，采用删余算法和缩短算法分别计算出删余比特数p和缩短比特数s。过程如下，假设原始LDPC码为(n，k)码，其码率为R₀＝k/n，经过删余算法以后变为(n-p，k)码，其码率为R＝k/(n-p)，再经过缩短算法以后变为(n-s-p，k-s)码，其码率变为R＝(k-s)/(n-s-p)。

步骤2B：Alice根据p和s，产生一组长度为(p+s)的随机数标定删余比特和缩短比特的位置并发送给Bob。

(三)有益效果

量子信道并非时不变信道，其信道特性会随着时间改变，是一种时变信道。而CV-QKD后处理中数据协调阶段的纠错步骤需要用到信道的信噪比，如果信噪比(signal-to-noiseratio，SNR)是变化的，那么信道容量也是变化的，而校验矩阵的个数是有限的，我们无法拥有所有实验数据的校验矩阵，因此现有技术在实验中只能使用与之接近且信噪比低于该组数据的校验矩阵进行纠错，从而导致CV-QKD后处理数据协调阶段的一个重要参数协调效率的降低，协调效率对CV-QKD系统的安全码率又有着至关重要的影响。本发明的方法很好的解决了这一问题，使得多边类型LDPC码的码率可以随着时变信道信道状态的改变灵活的进行调整，可以提升协调效率，从而提高系统的安全码率。

附图说明

图1为本发明所用方法的流程图

具体实施方式

下面结合说明书附图详细说明本发明所使用方法的具体实施方式。

首先根据CV-QKD后处理中参数估计对时变信道信噪比SNR的估计，计算信道容量C，然后计算出纠错码LDPC码的最优校验矩阵的码率R。关系如下：

R＝C·β

其中β为CV-QKD系统数据协调阶段的协调效率。

然后Alice根据原始校验矩阵码率R₀和上一步得到的最优校验矩阵码率R，采用删余算法和缩短算法分别计算出删余比特数p和缩短比特数s。

过程如下，假设原始LDPC码为(n，k)码，其码率为：

经过删余算法以后变为(n-p，k)码，其码率为：

再经过缩短算法以后变为(n-s-p，k-s)码，其码率变为：

然后根据p和s，采用随机删除算法，产生一组长度为(p+s)的随机数标定删余比特和缩短比特的位置并发送给Bob。

最后Alice和Bob利用新的校验矩阵进行纠错。

通过上述实例，详细说明了本发明如何在时变信道下灵活的根据信道特性调制码率的过程。解决了在校验矩阵个数有限且实验数据变化快的情况下，我们无法拥有适用于所有实验数据的校验矩阵这一困难。本发明可以提高协调效率，从而提升系统的安全码率。

本发明并不局限于上述实例，凡是在权利要求范围内做出的任何形式的变形或者修改，均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种用于连续变量量子密钥分发中的码率自适应数据协调方法，包括如下步骤：

步骤1：根据连续变量量子密钥分发中参数估计步骤对时变信道信噪比SNR的估计，计算信道容量C，然后计算出纠错码LDPC码的最优校验矩阵的码率R；

步骤2：Alice根据原始校验矩阵码率R₀和步骤1得到的最优校验矩阵码率R，采用删余算法和缩短算法分别计算出删余比特数p和缩短比特数s，然后产生一组长度为(p+s)的随机数标定删余比特和缩短比特的位置并发送给Bob；

步骤3：Alice和Bob利用新的校验矩阵进行编译码；

步骤1的具体步骤如下：

步骤1A：根据连续变量量子密钥分发后处理中参数估计对时变信道信噪比SNR的估计结果，计算信道容量

步骤1B：计算LDPC码校验矩阵的最优码率R＝C·β，其中β为协调效率；

步骤2的具体步骤如下：

步骤2A：Alice根据原始校验矩阵码率R₀和步骤1得到的最优校验矩阵码率R，采用删余算法和缩短算法分别计算出删余比特数p和缩短比特数s， 过程如下，假设原始LDPC码为(n,k)码，其码率为R＝k/n，经过删余算法以后变为(n-p,k)码，其码率为R＝k/(n-p)，再经过缩短算法以后变为(n-s-p,k-s)码，其码率变为R＝(k-s)/(n-s-p)；

步骤2B：Alice根据p和s，产生一组长度为(p+s)的随机数标定删余比特和缩短比特的位置并发送给Bob。

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