CN110474771A - 量子密钥分发系统非调制位帧同步方法、系统及介质 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种量子密钥分发系统非调制位帧同步方法、系统及介质，包括：同步帧选取步骤：在发送端选取长度为N的连续变量量子信号作为同步帧；计算步骤：对接收端收到的连续变量量子信号的每一样值，计算特征，计算汉明距离并确定同步位；所述连续变量量子信号为量子密钥分发系统通过量子信道传输的取值连续的信号。本发明通过截取量子信源的某些输出片段作为同步标志，并计算本发明所设计的增量标记计算匹配代价，既实现了同步功能，又减小了计算量，同时，在低信噪比的环境下，也可以成功同步。

Description

量子密钥分发系统非调制位帧同步方法、系统及介质
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，具体地，涉及量子密钥分发系统非调制位帧同步方法、系统及介质。
背景技术
随着信息技术的发展以及计算机计算能力的增加，追求更安全高效的通信的要求与日俱增。连续变量量子密钥分发技术是利用量子力学基本原理，在物理上保证通信的无条件安全性的一种通信方式，相比于离散变量量子密钥分发技术，能更高效的进行通信，并方便与传统光通信对接。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，基于这些优点，连续变量量子密钥分发技术得到了广泛的关注。
连续变量量子密钥分发技术需要进行长距离通信，并且传输的光信号微弱，在接收端接收到的量子信号微弱，出于安全性考虑不宜放大，这些特性给接收端找到信号的起始位置(同步)造成了困难。从接收到密钥协商，密性放大等后处理过程，需要正确的位帧同步，否则难以保证获取密钥的正确性。所以位帧同步技术在连续变量量子密钥分发技术中显得尤为重要。
公开号CN 104065475B的专利公开了一种高速连续变量量子密钥分发系统及其位帧同步方法，所述位帧同步方法包括以下步骤：步骤一，发送方生成一组特殊数据作为同步帧；步骤二，发送方通过量子信道把相干态发送给接收方；步骤三，接收方使用平衡零差检测器测量相干态的位移分量；步骤四，根据步骤一从经典信道获得的特殊数据的结构信息，接收方选定合适的交替电压判定阈值和帧同步段判定阈值来判定同步帧；步骤五，若在规定的时间里，接收方都没有搜寻到同步帧，则同步失败，此时接收方需要调整交替电压判定阈值的取值和帧同步段判定阈值的取值，然后重新通信。
传统的一种解决方案是使用插入设计好的同步帧的方案，即在量子信号前添加一段设计好的同步信号，使接收端能够采用计算相关或其他算法来获取同步信息。但是这种方案给系统增加了不少复杂性，需要增加额外的调制器生成特定的同步帧，增加了系统搭建的成本。同时，计算相关的算法需要计算大量的乘法，计算量较大。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种量子密钥分发系统非调制位帧同步方法及系统。
根据本发明提供的一种量子密钥分发系统非调制位帧同步方法，包括：
同步帧选取步骤：在发送端选取长度为N(N＝256,512,1024,2048,…)的连续变量量子信号作为同步帧；
计算步骤：对接收端收到的连续变量量子信号的每一样值，计算特征，计算汉明距离并确定同步位；
所述连续变量量子信号为量子密钥分发系统通过量子信道传输的取值连续的信号。
优选地，所述同步帧选取步骤包括：
对要发送的连续变量量子信号的每一位，计算一个增量标记；
选取增量标记中0和1含量近似相等，分布均匀的连续N个值作为同步帧。
优选地，所述计算步骤包括：
对接收端接收到的连续变量量子信号的每一位，计算一个增量标记；
以当前位为中心的连续N个增量标记作为特征，计算汉明距离以确定同步位。
优选地，所述增量标记是用当前位置前的N个值的和减去当前位置后的N个值的和，或当前位置后的N个值的和减去当前位置前的N个值的和，并与阈值作比较得到的。
优选地，与阈值作比较后，为当前位置分配一个增量标记0或1；
大于阈值分配为0，否则为1，或者，大于阈值分配为1，否则为0。
优选地，所述增量标记是用当前位置前的N个值的和减去当前位置后的N个值的和，或当前位置后的N个值的和减去当前位置前的N个值的和，并与阈值作比较得到的。
优选地，与阈值作比较后，为当前位置分配一个增量标记0或1；
大于阈值分配为0，否则为1，或者，大于阈值分配为1，否则为0。
优选地，所述计算汉明距离包括逐位比较是否相同，统计不同位的总和作为汉明距离。
根据本发明提供的一种量子密钥分发系统非调制位帧同步系统，包括：
同步帧选取模块：在发送端选取长度为N(N＝256,512,1024,2048,…)的连续变量量子信号作为同步帧；
计算模块：对接收端收到的连续变量量子信号的每一样值，计算特征，计算汉明距离并确定同步位；
所述连续变量量子信号为量子密钥分发系统通过量子信道传输的取值连续的信号。
根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的量子密钥分发系统非调制位帧同步方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1)使用本发明所设计的同步方法不需要使用调制设备在连续变量量子信号中插入同步帧。
2)使用本发明所设计的同步特征和算法进行同步可以保证同步过程在极低的信噪比条件下进行。
3)本发明所设计的同步帧和同步算法不需要使用乘法，运算次数少，同步速率快，使用较少的计算资源就能取得较好的计算效果。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的增量标记构造示意图。
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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，根据本发明提供的一种量子密钥分发系统非调制位帧同步方法，包括：
同步帧选取步骤：在发送端选取长度为N(N＝256,512,1024,2048,…)的连续变量量子信号作为同步帧；
计算步骤：对接收端收到的连续变量量子信号的每一样值，计算特征，计算汉明距离并确定同步位；
连续变量量子信号为量子密钥分发系统通过量子信道传输的取值连续的信号。
同步帧选取步骤包括：
对要发送的连续变量量子信号的每一位，计算一个增量标记；
选取增量标记中0和1含量近似相等，分布均匀的连续N个值作为同步帧。
增量标记是用当前位置前的N个值的和减去当前位置后的N个值的和，或当前位置后的N个值的和减去当前位置前的N个值的和，并与阈值作比较得到的。与阈值作比较后，为当前位置分配一个增量标记0或1；大于阈值分配为0，否则为1，或者，大于阈值分配为1，否则为0。
优选地，计算步骤包括：
对接收端接收到的连续变量量子信号的每一位，计算一个增量标记；
以当前位为中心的连续N个增量标记作为特征，计算汉明距离以确定同步位。
增量标记是用当前位置前的N个值的和减去当前位置后的N个值的和，或当前位置后的N个值的和减去当前位置前的N个值的和，并与阈值作比较得到的。与阈值作比较后，为当前位置分配一个增量标记0或1；大于阈值分配为0，否则为1，或者，大于阈值分配为1，否则为0。即两个步骤中增量标记的构造方法相同，以便在汉明距离计算中得到可靠的结果。
计算汉明距离包括逐位比较是否相同，统计不同位的总和作为汉明距离。
本发明的原理为:在发送端直接将量子信号的一部分选出来作为同步帧，从而使得本同步方法在同步的过程当中并不需要利用调制设备制备专门的同步帧来进行同步。这一部分被选择出来的序列，需要经过一种变换，为每一位数字分配一个增量标记，选择增量标记0-1分布均匀的帧来作为同步帧效果较好。同时，在接收端，以某位数字为中心的长度为N的标记成为个特征，运用该特征进行后续的同步过程。接收端运用计算接收到的信号的特征，以及同步帧的特征的汉明距离的方法来进行同步。该增量标记的计算不需要用到乘法，而且计算次数少。
在上述一种量子密钥分发系统非调制位帧同步方法的基础上，本发明还提供一种量子密钥分发系统非调制位帧同步系统，包括：
同步帧选取模块：在发送端选取长度为N(N＝256,512,1024,2048,…)的连续变量量子信号作为同步帧；
计算模块：对接收端收到的连续变量量子信号的每一样值，计算特征，计算汉明距离并确定同步位；
连续变量量子信号为量子密钥分发系统通过量子信道传输的取值连续的信号。
在上述一种量子密钥分发系统非调制位帧同步方法的基础上，本发明还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，计算机程序被处理器执行时实现上述任一项的量子密钥分发系统非调制位帧同步方法的步骤。
实施例：
在连续变量量子密钥分发系统中，发送端制备位置和动量都服从高斯分布的量子态，并将之发送给接收端。发送端制备量子态时，根据某一随机数发生器的结果对输出进行调制或按照某些被动态方案直接生成一定分布的量子随机数。在这一过程中，对已知的量子随机书序列进行变换，计算出增量标记，增量标记的计算方法将在下面给出，并选取增量标记0-1分布均匀的长度为N的序列作为同步帧，将同步帧的增量序列信息通过经典信道发送给接收端。
接收端按照与发送端同样的方法对接收序列，并对每一位选择以该位为中心的长度为N的0-1序列作为特征，和同步帧的特征作汉明距离比较确定同步位置。为了在匹配代价最高处获得同步位置，可选择匹配代价为：
C(X1,X2)＝N-H(X1,X2)
其中H(X1,X2)代表两序列的汉明距离。C(X1,X2)代表总匹配代价，X1、X2分别为经过变换后的0-1序列。
如图2所示，增量标记的计算方法如下：
设同步信号为X＝{x1,x2,...,xL}，则对于某一位Xi,按照如下方式生成增量标记：
(1)用当前位置前的N个值的和减去当前位置后的N个值的和(或当前位置后的N个值的和减去当前位置前的N个值的和)
(2)将上述差和一个阈值Vthreshold比较大小，若则增量标记为1，否则，增量标记为0。
(3)将以当前位为中心的连续N个增量标记作为当前位的特征，利用这一特征和同步帧的特征计算一个匹配代价。
按照如上步骤计算出的增量标记具有计算量小，匹配成功率高的特点，能够在低信噪比下依然保持良好的同步性能。按照上述方法得到的特征不需要用乘法就能算出匹配代价，而且上一次计算得到的增量标记可复用，在下一次计算特征时不用重复计算，这样又进一步降低了计算量。
实施非调制同步帧的位帧同步方法的具体步骤如下：
(1)发送端对要发送的连续变量量子信号的每一位，计算一个设计好的增量标记，计算增量标记时，所取的前后数值的个数可取L＝5。即选择前5个数减去后5个数的差同阈值作比较并计算增量标记。
(2)选择0-1分布较为均匀的序列作为同步帧，同步帧的帧长可取N＝256-4096，对应的信号信噪比为-10dB至-25dB。
(3)对接收端接收到的连续变量量子信号的每一位，计算一个设计好的增量标记。同时选取以当前位为中心的连续N个增量标记作为当前位的特征。只有第一次计算特征时需要同时计算N个增量标记，后面每一次只需要计算一个增量标记，因为前面计算出的增量标记在后面可复用。
(4)将接收端计算得到的增量标记和同步帧所得到的增量标记计算汉明距离，并确定同步位。
通过以上过程，即可用较小的计算量在极低的信噪比条件中实现位帧同步。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
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化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种量子密钥分发系统非调制位帧同步方法，其特征在于，包括：
同步帧选取步骤：在发送端选取长度为N的连续变量量子信号作为同步帧；
计算步骤：对接收端收到的连续变量量子信号的每一样值，计算特征，计算汉明距离并确定同步位；
所述连续变量量子信号为量子密钥分发系统通过量子信道传输的取值连续的信号。
2.根据权利要求1所述的量子密钥分发系统非调制位帧同步方法，其特征在于，所述同步帧选取步骤包括：
对要发送的连续变量量子信号的每一位，计算一个增量标记；
选取增量标记中0和1含量近似相等，分布均匀的连续N个值作为同步帧。
3.根据权利要求1所述的量子密钥分发系统非调制位帧同步方法，其特征在于，所述计算步骤包括：
对接收端接收到的连续变量量子信号的每一位，计算一个增量标记；
以当前位为中心的连续N个增量标记作为特征，计算汉明距离以确定同步位。
4.根据权利要求2所述的量子密钥分发系统非调制位帧同步方法，其特征在于，所述增量标记是用当前位置前的N个值的和减去当前位置后的N个值的和，或当前位置后的N个值的和减去当前位置前的N个值的和，并与阈值作比较得到的。
5.根据权利要求4所述的量子密钥分发系统非调制位帧同步方法，其特征在于，与阈值作比较后，为当前位置分配一个增量标记0或1；
大于阈值分配为0，否则为1，或者，大于阈值分配为1，否则为0。
6.根据权利要求3所述的量子密钥分发系统非调制位帧同步方法，其特征在于，所述增量标记是用当前位置前的N个值的和减去当前位置后的N个值的和，或当前位置后的N个值的和减去当前位置前的N个值的和，并与阈值作比较得到的。
7.根据权利要求6所述的量子密钥分发系统非调制位帧同步方法，其特征在于，与阈值作比较后，为当前位置分配一个增量标记0或1；
大于阈值分配为0，否则为1，或者，大于阈值分配为1，否则为0。
8.根据权利要求3所述的量子密钥分发系统非调制位帧同步方法，其特征在于，所述计算汉明距离包括逐位比较是否相同，统计不同位的总和作为汉明距离。
9.一种量子密钥分发系统非调制位帧同步系统，其特征在于，包括：
同步帧选取模块：在发送端选取长度为N的连续变量量子信号作为同步帧；
计算模块：对接收端收到的连续变量量子信号的每一样值，计算特征，计算汉明距离并确定同步位；
所述连续变量量子信号为量子密钥分发系统通过量子信道传输的取值连续的信号。
10.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8中任一项所述的量子密钥分发系统非调制位帧同步方法的步骤。
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