CN108400819A - 一种基于dsp的量子保密通信防御控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DSP的量子保密通信防御控制方法及系统，所述方法包括：光信号经过偏振控制器后，通过波分复用器将信号拆分为预设范围内的波长信号以及非预设范围内的波长信号；所述预设范围内的波长信号通过偏振分束器和单光子探测器传输到数字信号处理器中；而非预设范围内的波长信号直接通过单光子探测器传输到数字信号处理器中；数字信号处理器将两种波长信号进行比对并判断是否超出预设偏差阈值，若超出预设偏差阈值，则取消当前通信并进行下一次通信尝试；否则，当前通信为有效通信。所述基于DSP的量子保密通信防御控制方法及系统能够及时发现系统是否被攻击进而保证系统通信的安全性。

Description

一种基于DSP的量子保密通信防御控制方法及系统

技术领域

本发明涉及量子通信技术领域，特别是指一种基于DSP的量子保密通信防御控制方法及系统。

背景技术

卫星通信是现代通信的主要方式之一，在民用、军事和航天科技中拥有重要的作用。传统的卫星微波通信频段资源已经十分紧张，而对卫星通信速率的要求却又在不断地提高，并对通信系统的体积、重量和功耗等提出了更加严格的限制，迫切需要发展更高频段的卫星激光通信技术。同时，由于卫星量子通信具有较高保密安全性的特点，成为目前国际研究的热点。目前，国际上多个国家已经开始研制卫星激光通信系统和卫星量子通信系统，并开展相关卫星通信的试验研究。

但是当前常见的实用被动调制量子保密通信系统中分束器存在一定的波长依赖性，窃听者能够根据这样的机理来攻击分束器，以获得密钥信息而不被发现。因此，在实现本申请的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：当前的量子保密通信系统存在容易被攻击窃密并且不易被发现的缺陷，导致通信安全性大大降低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于DSP的量子保密通信防御控制方法及系统，能够及时发现系统是否被攻击进而保证系统通信的安全性。

基于上述目的本发明提供的一种基于DSP的量子保密通信防御控制方法，包括：

光信号经过偏振控制器后，通过波分复用器将信号拆分为预设范围内的波长信号以及非预设范围内的波长信号；其中，所述预设范围根据光信号的中心波长以及波分复用器的隔离度得到；

所述预设范围内的波长信号通过偏振分束器和单光子探测器传输到数字信号处理器中；而非预设范围内的波长信号直接通过单光子探测器传输到数字信号处理器中；

数字信号处理器将两种波长信号进行比对并判断是否超出预设偏差阈值，若超出预设偏差阈值，则取消当前通信并进行下一次通信尝试；否则，当前通信为有效通信。

可选的，所述预设范围对应的波长范围为[中心波长-波分复用器的隔离度，中心波长+波分复用器的隔离度]。

可选的，所述偏振分束器将预设范围内的波长信号按照垂直分量和水平分量拆分为两种不同的信号，然后分别通过两个不同的单光子探测器接收波长信号并传送到数字信号处理器中。

可选的，还包括对信号偏振态进行反馈控制：数字信号处理器依次通过数模转换电路、线性放大电路对偏振控制器进行偏振反馈控制，用于使得当前实际测得的偏振态大于或等于预设的目标偏振态。

可选的，偏振控制周期为20ms。

可选的，所述数字信号处理器进行偏振反馈控制的方法包括：检测并获得当前实际偏振态的测量值；

判断实际偏振态的测量值是否小于预设的目标偏振态，

若测量值小于目标偏振态，则将偏振控制器中压电陶瓷的驱动电压增大预设的电压增量；

循环上述判断过程，直到测量值大于或等于目标偏振态时，结束偏振控制。

可选的，预设的电压增量为1mv。

可选的，进行偏振控制之前还包括：

每隔预设的检测周期时间，数字信号处理器对单光子探测器中接收的光信号进行计数；

判断当前偏振对比度是否小于目标偏振对比度；若是，则进行偏振控制；否则，不进行偏振控制。

可选的，所述偏振控制器中设置有两组压电陶瓷，用于分别控制两组偏振信号；

偏振控制之前依次对两组压电陶瓷进行切换扫描，并且针对两组压电陶瓷分别相应进行偏振控制。

本申请还提供了一种基于DSP的量子保密通信防御控制系统，包括：偏振控制器、波分复用器、偏振分束器、单光子探测器、数字信号处理器、数模转换电路、线性放大电路；

偏振控制器的输入端与波分复用器的输出端连接；波分复用器的输出端与偏振分束器的输入端连接；偏振分束器的输出端分别通过第一单光子探测器和第二单光子探测器连接到数字信号处理器中；波分复用器的输出端直接通过第三光子探测器连接到数字信号处理器中；数字信号处理器依次通过数模转换电路、线性放大电路连接到偏振控制器中，用于实现偏振反馈控制；

所述波分复用器用于对光信号按照预设的波长范围进行拆分；所述数字信号处理器用于进行信号检测、比对以及反馈控制。

从上面所述可以看出，本发明提供的基于DSP的量子保密通信防御控制方法及系统，通过波分复用器将原有通信系统中较宽范围的波长信号限定为以中心波长为中心点，隔离度为范围宽度的预设范围的波长信号；进而将那些与中心波长偏差较大且容易被窃密者攻击的波长剔除，进而能够在一定程度上降低对分束器的攻击。本申请还通过采用数字信号处理器作为控制核心，提高了通信效率以及系统集成度。此外，所述数字信号处理器还通过对两种信号的比对并且判断是否超出预设的偏差阈值进而在系统被攻击时取消通信，保障系统通信的安全性。因此，本申请所述基于DSP的量子保密通信防御控制方法及系统能够及时发现系统是否被攻击进而保证系统通信的安全性。

附图说明

图1为本发明提供的基于DSP的量子保密通信防御控制方法的一个实施例的流程示意图；

图2为本发明提供的基于DSP的量子保密通信防御控制系统的一个实施例的结构示意图；

图3为本发明提供的偏振控制器中两个压电陶瓷的驱动电压测试实验对应的变化图；

图4为本发明提供的图3实验中对应偏振对比度的变化图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

参照图1所示，为本发明提供的基于DSP的量子保密通信防御控制方法的一个实施例的流程示意图。所述基于DSP的量子保密通信防御控制方法包括：

步骤101，光信号经过偏振控制器后，通过波分复用器将信号拆分为预设范围内的波长信号以及非预设范围内的波长信号；其中，所述预设范围根据光信号的中心波长以及波分复用器的隔离度得到；所述偏振控制器为通信系统中用于控制光信号偏振态的设备。针对于偏差较大的信号容易作为攻击对象，因此，本申请通过波分复用器将这些信号剔除，直接从信号源上降低被攻击的概率，进而提高通信的安全性。

步骤102，所述预设范围内的波长信号通过偏振分束器和单光子探测器传输到数字信号处理器中；而非预设范围内的波长信号直接通过单光子探测器传输到数字信号处理器中；其中，正常需要使用的信号需要经过分束器进行处理后才能够传输到控制单元，也即数字信号处理器中。而对于那些剔除的信号则直接通过单光子探测器进行计数并传输到数字信号处理器。此外，在实用化量子保密通信研究中，采用数字信号处理器(DSP)替代计算机作为系统的控制核心具有高效率、高集成度等优势。

步骤103，数字信号处理器将两种波长信号进行比对并判断是否超出预设偏差阈值；其中，所述预设偏差阈值为基于通信环境预先设定的一个两种信号偏差程度的判断标准，若超出这个偏差阈值，则表示存在很强的分束器攻击行为，为了保证通信安全需要取消该次通信。

步骤104，根据步骤103，若超出预设偏差阈值，则取消当前通信并进行下一次通信尝试；

步骤105，否则，当前通信为有效通信，也即安全性较高的通信。

由上述实施例可知，所述基于DSP的量子保密通信防御控制方法，通过波分复用器将原有通信系统中较宽范围的波长信号限定为以中心波长为中心点，隔离度为范围宽度的预设范围的波长信号；进而将那些与中心波长偏差较大且容易被窃密者攻击的波长剔除，进而能够在一定程度上降低对分束器的攻击。本申请还通过采用数字信号处理器作为控制核心，提高了通信效率以及系统集成度。此外，所述数字信号处理器还通过对两种信号的比对并且判断是否超出预设的偏差阈值进而在系统被攻击时取消通信，保障系统通信的安全性。因此，本申请所述基于DSP的量子保密通信防御控制方法能够及时发现系统是否被攻击进而保证系统通信的安全性。

在本申请一些可选的实施例中，所述预设范围对应的波长范围为[中心波长-波分复用器的隔离度，中心波长+波分复用器的隔离度]。例如：当光源的中心波长为1550nm且波分复用器的隔离度设置为100nm时，所述预设范围为1450nm-1650nm。当然，根据实际情况，这个范围可以相应设置为不同，而且可以设置为不对称的波长范围。

在本申请一些可选的实施例中，所述偏振分束器将预设范围内的波长信号按照垂直分量和水平分量拆分为两种不同的信号，然后分别通过两个不同的单光子探测器接收波长信号并传送到数字信号处理器中。这样，能够基于两个分量的偏振态及相关信息实现更准确的监测，进而提高量子通信系统进行防御的准确性。

进一步，在本申请一些可选的实施例中，控制方法还包括对信号偏振态进行反馈控制，包括：数字信号处理器依次通过数模转换电路、线性放大电路对偏振控制器进行偏振反馈控制，用于使得当前实际测得的偏振态大于或等于预设的目标偏振态。虽然将容易被窃听者攻击的偏差较大的波长弃用，便可以抵御分束器攻击的发生，但是波分复用器的出现也会对单光子的偏振态产生一定程度的干扰。此外，原本由于光子偏振态本身在长距离光纤中就无法保持较高的稳定性，再加上波分复用器的干扰，导致光信号的偏振状态难以保持，因此，以偏振编码为基础的量子保密通信系统需要进行偏振控制以保持成码的正确性。针对上述情况，本申请提出了通信系统进行反馈控制的方法：利用波分复用器(WDM)进行波长剥离，剥离出非中心波长的单光子，计算其被攻击的概率，如果被攻击则取消通信，否则继续通信，而剥离后通过分束器(PBS)的随机率为50％的中心波长的光子实现偏振态的统计对比。当偏振态与发射端偏差较大的情况下，DSP通过数模转换电路(D/A)和线性放大电路(Amp)实现对单光子偏振的反馈控制。其中，PBS的随机率是指通向每一个单光子计数器的概率。

可选的，为了保证足够的采样时间以及综合考虑采样的效率，本申请中的偏振控制周期为20ms。进一步，当光源中心波长为1550nm、重复频率为10MHz时，SPD设定的探测效率为10％，暗计数率为5×10^-6且采用外触发方式，其时钟信号与光脉冲信号同步。由于SPD工作在计数模式，为了保证足够的数据采样时间，偏振控制的周期设置为20ms。

在本申请一些可选的实施例中，所述数字信号处理器进行偏振反馈控制的方法包括：检测并获得当前实际偏振态的测量值；判断实际偏振态的测量值是否小于预设的目标偏振态，若测量值小于目标偏振态，则将偏振控制器中压电陶瓷的驱动电压增大预设的电压增量；循环上述判断过程，直到测量值大于或等于目标偏振态时，结束偏振控制。例如：设定U为压电陶瓷的驱动电压大小，每次改变的增量为1mv，A为可接受的目标偏振态的最小值，也即预设的目标偏振态，N为偏振态的实际测量值，那么有控制程序包括：

A＝固定值；N＝测量值；

Do While(A＞N)

{U＝U+1；}

LOOP

在本申请一些可选的实施例中，进行偏振控制之前还包括：

每隔预设的检测周期时间，数字信号处理器对单光子探测器中接收的光信号进行计数；

判断当前偏振对比度是否小于目标偏振对比度；若是，则进行偏振控制；否则，不进行偏振控制。

也即，通过设定一个检测周期，只有在偏振对比度小于目标偏振对比度时，才需要启动偏振控制，而其余时间则不需要偏振控制。这样，在保证偏振对比度的基础上大大提高了系统通信的效率。

可选的，所述偏振控制器中设置有两组压电陶瓷，用于分别控制两组偏振信号；偏振控制之前依次对两组压电陶瓷进行切换扫描，并且针对两组压电陶瓷分别相应进行偏振控制。也即通过对两组压电陶瓷的单独控制，实现整个通信系统偏振态的控制，提高控制效率。

参照图2所示，为本发明提供的基于DSP的量子保密通信防御控制系统的一个实施例的结构示意图。所述基于DSP的量子保密通信防御控制系统包括：偏振控制器(EPC)、波分复用器(WDM)、偏振分束器(PBS)、单光子探测器(SPD)、数字信号处理器(DSP)、数模转换电路(D/A)、线性放大电路(Amp)；偏振控制器的输入端与波分复用器的输出端连接；波分复用器的输出端与偏振分束器的输入端连接；偏振分束器的输出端分别通过第一单光子探测器和第二单光子探测器连接到数字信号处理器中；波分复用器的输出端直接通过第三光子探测器连接到数字信号处理器中；数字信号处理器依次通过数模转换电路、线性放大电路连接到偏振控制器中，用于实现偏振反馈控制；所述波分复用器用于对光信号按照预设的波长范围进行拆分；所述数字信号处理器用于进行信号检测、比对以及反馈控制。其中，Fiber为单模光纤；单光子序列由Fiber输入EPC，EPC中压电陶瓷X1和X2接收由DSP发出并且经过放大电路传递过来的处理信号进行偏振控制。若光信号为第一次发出的初始信号则不需要反馈处理。

可选的，基于D/A芯片的输出范围为0-3v，而EPC的工作范围为0-150v，因此需要利用Amp电路将电压进行50倍放大，进而使得EPC在电压驱动下对光纤进行挤压，改变信道中光信号的偏振态，实现DSP对调节效果进行实时监控，由此形成一个闭环的反馈回路，调节过程周期循环直到获得预期的偏振态。

单光子经过偏振控制后，在WDM进行波长剥离，预设范围波长的光子进入到PBS中，而被筛出的其余范围的波长对应的光子则直接进入SPD中进行计数，并且在DSP进行对比，当计数超越设定的预设偏差阈值N％，说明存在很强的分束器攻击行为，为了安全抛弃当前通信，否则，表示分束器攻击性不强，可以继续通信。优选的，依据环境不同，误码率可不同，N也可以依据环境因素相应设定。

进入PBS检偏以后的单光子，按照其垂直分量和水平分量分别被两个不同的单光子探测器接收。探测器上显示的光子计数代表了不同偏振分量的光强大小。光子计数信息通过数字I/O传输至DSP，DSP对当前偏振态进行分析，并通过压电陶瓷对偏振态进行调节。

在一些可选的实施例中，偏振反馈控制的设计应该具备如下要求：控制的目标偏振态可见度，即可以测量到的偏振态应该尽量高，这样能够减少量子密钥分发过程中由偏振对比度不完全导致的误码。另外，由于自由状态下的偏振态稳定时间有限，控制过程的耗时应该尽量短，以保证系统成码率不受太大影响。可选的，本申请设定的偏振控制的目标可见度为97％，单次调节耗时控制在10秒以内。

在以DSP为核心的偏振控制系统中，信号响应速率得到大幅度提升，反馈循环的周期明显缩短。以此为前提，本申请设计了一种简单有效的分段扫描方式，具体流程如下：首先设定目标偏振对比度P，P为光源偏振态与测得的偏振态的一致率，DSP每两分钟对单光子探测器接收到的光信号进行计数，如果当前偏振对比度大于P，说明偏振态保持良好。如果偏振对比度小于P，则说明偏振态已经恶化，系统进行偏振控制。DSP通过D/A控制压电陶瓷X1进行逐点扫描，并监测相应的偏振变化情况，扫描结束后，X1的驱动电压保持在最接近目标偏振态的位置，并用相同的方式开始在X2上进行扫描。扫描过程在X1和X2之间不断的切换，一旦偏振对比度大于P，则意味着偏振控制完成，这时候保持X1和X2的当前电压。

可选的，EPC驱动的单步步长为1V，单轴扫描范围为80V，这样可以保证EPC能够较快的完成跨度大于两个半波电压的扫描。

参照图3和图4所示，为本发明提供的偏振控制器中两个压电陶瓷的驱动电压测试实验对应的变化图以及对应偏振对比度的变化图。本申请在25km的光纤长度下，对偏振控制系统的性能进行了实验。发端光源强度被衰减到0.1个光子每脉冲的水平。得到的测试结果如图3和图4所示。图3为EPC的两个压电陶瓷的驱动电压变化图，图4为相应的偏振对比度的变化图，虚线表示系统设定的目标阈值0.97。由图可知，在横轴X中步数达到98时，P高于设定的阈值0.97，电压V1和V2便处于稳定状态。经实验演示证明了本申请方案的有效性和稳定性，在抵御分束器攻击的同时，相同编解码、纠错方式情况下，拥有更大的成码耗时便可以得到更高效的密钥生成。

综上所述，本申请所述基于DSP的量子保密通信防御控制方法及系统，利用WDM进行波长剥离，抵御了分束器攻击，利用DSP为控制核心，突破了计算机控制在量子保密通信系统实现的编码占时低、编码效率低、偏振控制周期长的难点，并把单光子探测器以及EPC电压调节统一集成，实现控制系统的小型化。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、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 (10)

1.一种基于DSP的量子保密通信防御控制方法，其特征在于，包括：

光信号经过偏振控制器后，通过波分复用器将信号拆分为预设范围内的波长信号以及非预设范围内的波长信号；其中，所述预设范围根据光信号的中心波长以及波分复用器的隔离度得到；

所述预设范围内的波长信号通过偏振分束器和单光子探测器传输到数字信号处理器中；而非预设范围内的波长信号直接通过单光子探测器传输到数字信号处理器中；

数字信号处理器将两种波长信号进行比对并判断是否超出预设偏差阈值，若超出预设偏差阈值，则取消当前通信并进行下一次通信尝试；否则，当前通信为有效通信。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述预设范围对应的波长范围为[中心波长-波分复用器的隔离度，中心波长+波分复用器的隔离度]。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述偏振分束器将预设范围内的波长信号按照垂直分量和水平分量拆分为两种不同的信号，然后分别通过两个不同的单光子探测器接收波长信号并传送到数字信号处理器中。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，还包括对信号偏振态进行反馈控制：数字信号处理器依次通过数模转换电路、线性放大电路对偏振控制器进行偏振反馈控制，用于使得当前实际测得的偏振态大于或等于预设的目标偏振态。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，偏振控制周期为20ms。

6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述数字信号处理器进行偏振反馈控制的方法包括：检测并获得当前实际偏振态的测量值；

判断实际偏振态的测量值是否小于预设的目标偏振态，

若测量值小于目标偏振态，则将偏振控制器中压电陶瓷的驱动电压增大预设的电压增量；

循环上述判断过程，直到测量值大于或等于目标偏振态时，结束偏振控制。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，预设的电压增量为1mv。

8.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，进行偏振控制之前还包括：

每隔预设的检测周期时间，数字信号处理器对单光子探测器中接收的光信号进行计数；

判断当前偏振对比度是否小于目标偏振对比度；若是，则进行偏振控制；否则，不进行偏振控制。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述偏振控制器中设置有两组压电陶瓷，用于分别控制两组偏振信号；

偏振控制之前依次对两组压电陶瓷进行切换扫描，并且针对两组压电陶瓷分别相应进行偏振控制。

10.一种基于DSP的量子保密通信防御控制系统，其特征在于，包括：偏振控制器、波分复用器、偏振分束器、单光子探测器、数字信号处理器、数模转换电路、线性放大电路；

偏振控制器的输入端与波分复用器的输出端连接；波分复用器的输出端与偏振分束器的输入端连接；偏振分束器的输出端分别通过第一单光子探测器和第二单光子探测器连接到数字信号处理器中；波分复用器的输出端直接通过第三光子探测器连接到数字信号处理器中；数字信号处理器依次通过数模转换电路、线性放大电路连接到偏振控制器中，用于实现偏振反馈控制；

所述波分复用器用于对光信号按照预设的波长范围进行拆分；所述数字信号处理器用于进行信号检测、比对以及反馈控制。