CN110890917A - 基于频谱域的大气湍流光信道共享随机比特提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于频谱域的大气湍流光信道共享随机比特提取方法。本方法提出把连续采集得到的随机光信号衰落时域数据变换到频谱域，然后再对各个频谱分量进行阈值化处理，以提取随机比特。使用本方法，即使连续的两次采样测量值之间有较强统计相关性，在频谱域中的各频谱分量之间的统计相关性也会很低，从而可实现在连续的两次测量之间存在较强统计相关的条件下，确保提取的比特序列具有良好的随机特性。

Description

基于频谱域的大气湍流光信道共享随机比特提取方法

技术领域

本发明属于物理层安全通信技术领域，涉及一种基于频谱域的大气湍流光信道共享随机比特提取方法。

背景技术

为了保护合法通信双方的信息不被第三方非法窃取，通常需要对传送的信息进行加密。利用对称密码体制，通信双方需要共享相同的密钥，发送方用密钥对发送的信息进行加密，接收方用密钥对收到的信息进行解密。如何使合法通信双方安全地获得共享密钥是一个难题。实际上，量子密钥分配就是一种用来给合法通信双方分配共享密钥的技术。当前，量子密钥分配的实施成本太高，人们仍然在不断探索其他为合法通信双方分配共享密钥的技术。最近，研究者提出直接从互易的双向大气湍流光信道的随机光信号衰落中提取共享随机比特的方法，从而用提取的共享随机比特来生成被信道两端的通信双方共享的随机密钥。例如，申请号为201811370939.1的中国发明专利公开了一种从大气湍流光信号衰落中提取共享随机比特的方法。在从随机光信号衰落中提取随机比特时，需要首先对随机光信号衰落进行采样测量，然后再对采样测量值进行阈值化处理。为了保证提取的比特序列具有良好的随机特性，需要确保连续的两次采样测量值在统计上不相关。为了达到这一目的，要求连续的两次采样测量的时间间隔大于随机光信号衰落的相关时间长度。大气湍流信道的随机光信号衰落相关时间长度通常在毫秒量级。因此，连续的两次采样测量的时间间隔要求在毫秒量级以上。这限制了随机共享比特的生成速度。由1995年CambridgeUniversity Press出版的《Optical Coherence and Quantum Optics》可知，平稳随机过程的傅里叶谱分量之间是统计无关的。受此启发，本发明提出把连续采集得到的随机光信号衰落时域数据变换到频谱域，然后再对各个频谱分量进行阈值化处理，以提取随机比特。使用本发明方法，即使连续的两次采样测量值之间有较强统计相关性，在频谱域中的各频谱分量之间的统计相关性也会很低，从而可实现在连续的两次测量之间存在较强统计相关的条件下，确保提取的比特序列具有良好的随机特性。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于频谱域的大气湍流光信道共享随机比特提取方法，以便实现从大气湍流信道的随机光信号衰落中快速提取共享随机比特。

本发明的技术方案是这样实现的：基于频谱域的大气湍流光信道共享随机比特提取方法，其特征在于，所需的硬件系统和执行步骤如下：

如图1所示，需要激光收发端机A和激光收发端机B，激光收发端机A和激光收发端机B相互通视。激光收发端机A包括激光器A、收发光学系统A、探测器A和计算机A。激光收发端机B包括激光器B、收发光学系统B、探测器B和计算机B。如图1所示，激光器A发出的激光信号A001经收发光学系统A发射到大气湍流信道中，激光信号A001到达收发光学系统B后再入射到探测器B上；激光器B发出的激光信号B001经收发光学系统B发射到大气湍流信道中，激光信号B001到达收发光学系统A后再入射到探测器A上；计算机A实时采集探测器A输出的电信号，计算机B实时采集探测器B输出的电信号。

1)本方法第一部分使激光收发端机A和激光收发端机B正常工作，具体操作包括：

使激光器A和激光器B正常工作，使探测器A和探测器B正常工作，使计算机A和计算机B正常工作，使收发光学系统A和收发光学系统B相互对准并正常工作。

2)本方法第二部分在激光收发端机A中执行以下操作：

从t₀时刻开始，计算机A每隔时间τ就对探测器A输出的电信号进行一次采样测量，每次采样测量获得一个采样测量值M_sA，在N_t×τ+t₀时刻总共获得N_t+1个采样测量值M_sA；按获得的时间先后顺序把这N_t+1个采样测量值M_sA保存在计算机A的存储器中；在(i-1)×τ+t₀时刻获得第i个采样测量值M_sA，其中i＝1,2,3,…,N_t+1。

3)本方法第三部分在激光收发端机B中执行以下操作：

从t₀时刻开始，计算机B每隔时间τ就对探测器B输出的电信号进行一次采样测量，每次采样测量获得一个采样测量值M_sB，在N_t×τ+t₀时刻总共获得N_t+1个采样测量值M_sB；按获得的时间先后顺序把这N_t+1个采样测量值M_sB保存在计算机B的存储器中；在(i-1)×τ+t₀时刻获得第i个采样测量值M_sB，其中i＝1,2,3,…,N_t+1。

4)本方法第四部分在计算机A上从保存在计算机A的存储器中的N_t+1个采样测量值M_sA中提取原始随机比特序列，具体步骤如下：

步骤Step401：在计算机A的存储器中创建n个包含

个元素的一维数组SA，数组SA的元素用于保存采样测量值M_sA，

表示对x向下取整；在计算机A的存储器中创建包含n×(e+1)个元素的一维数组BITA，e为整数且

s为整数且

数组BITA的元素用于保存提取的原始随机比特值；

步骤Step402：把在

时刻获得的采样测量值M_sA赋值给第m个数组SA的第j个元素，其中m＝1,2,…,n，j＝1,2,…,

步骤Step403：令计数器Counter＝1；

步骤Step404：依次针对m＝1,2,…,n做下面的子步骤Step404-1和子步骤Step404-2描述的操作：

子步骤Step404-1：把第m个数组SA的所有元素当作一个时间域采样值序列，对这个时间域采样值序列进行离散傅里叶变换得到包含

个值的频谱域采样值序列SEQA；序列SEQA的各个采样值为复数；

子步骤Step404-2：依次针对j₁＝s,s+1,s+2,…,s+e做下面的①和②描述的操作：

①如果序列SEQA的第j₁个采样值的虚部大于0，则把数组BITA的第Counter个元素赋值为1，否则把数组BITA的第Counter个元素赋值为0；

②使Counter＝Counter+1；

5)本方法第五部分在计算机B上从保存在计算机B的存储器中的N_t+1个采样测量值M_sB中提取原始随机比特序列，具体步骤如下：

步骤Step501：在计算机B的存储器中创建n个包含

个元素的一维数组SB，数组SB的元素用于保存采样测量值M_sB，

表示对x向下取整；在计算机B的存储器中创建包含n×(e+1)个元素的一维数组BITB，e为整数且

s为整数且

数组BITB的元素用于保存提取的原始随机比特值；

步骤Step502：把在

时刻获得的采样测量值M_sB赋值给第m个数组SB的第j个元素，其中m＝1,2,…,n，j＝1,2,…,

步骤Step503：令计数器Counter2＝1；

步骤Step504：依次针对m＝1,2,…,n做下面的子步骤Step504-1和子步骤Step504-2描述的操作：

子步骤Step504-1：把第m个数组SB的所有元素当作一个时间域采样值序列，对这个时间域采样值序列进行离散傅里叶变换得到包含

个值的频谱域采样值序列SEQB；序列SEQB的各个采样值为复数；

子步骤Step504-2：依次针对j₂＝s,s+1,s+2,…,s+e做下面的a)和b)描述的操作：

a)如果序列SEQB的第j₂个采样值的虚部大于0，则把数组BITB的第Counter2个元素赋值为1，否则把数组BITB的第Counter2个元素赋值为0；

b)使Counter2＝Counter2+1；

6)本方法第六部分利用量子密钥分配后处理中的误码估计、密钥协商、错误校验技术找出并纠正数组BITA和数组BITB中存储的原始随机比特序列中的不一致比特，使数组BITA和数组BITB中存储的随机比特序列一致。

在实施本方法时，先执行本方法的第一部分，然后同时开始执行本方法的第二部分和第三部分，接着同时开始执行本方法的第四部分和第五部分，最后执行本方法的第六部分。本发明的积极效果是：本方法对通过采样测量得到的随机光信号衰落数据进行离散傅里叶变换，据此在频谱域中提取随机比特；本方法可以在连续的两次测量之间存在较强统计相关的条件下，确保提取的比特序列具有良好的随机性。

附图说明

图1为从大气湍流光信号衰落中提取共享随机比特的系统硬件结构示意图。

具体实施方式

为了使本方法的特征和优点更加清楚明白，下面结合具体实施例对本方法作进一步的描述。在本实施例中，激光收发端机A和激光收发端机B分别位于两栋高楼的屋顶，激光收发端机A的计算机A和激光收发端机B的计算机B都接入到互联网上，计算机A和计算机B可以通过互联网相互通信，以便通过互联网信道执行误码估计、密钥协商、错误校验操作。发表在《密码学报》2015年2卷2期113～121页的论文对误码估计、密钥协商、错误校验操作有详细的介绍。收发光学系统A和收发光学系统B使用《Optics Express》2018年26卷13期16422～16441页论文描述的方式保证激光收发端机A和激光收发端机B之间的双向信道是互易的。探测器A和探测器B为PIN光电探测器。

本发明的技术方案是这样实现的：基于频谱域的大气湍流光信道共享随机比特提取方法，其特征在于，所需的硬件系统和执行步骤如下：

如图1所示，需要激光收发端机A和激光收发端机B，激光收发端机A和激光收发端机B相互通视。激光收发端机A包括激光器A、收发光学系统A、探测器A和计算机A。激光收发端机B包括激光器B、收发光学系统B、探测器B和计算机B。如图1所示，激光器A发出的激光信号A001经收发光学系统A发射到大气湍流信道中，激光信号A001到达收发光学系统B后再入射到探测器B上；激光器B发出的激光信号B001经收发光学系统B发射到大气湍流信道中，激光信号B001到达收发光学系统A后再入射到探测器A上；计算机A实时采集探测器A输出的电信号，计算机B实时采集探测器B输出的电信号。

1)本方法第一部分使激光收发端机A和激光收发端机B正常工作，具体操作包括：

使激光器A和激光器B正常工作，使探测器A和探测器B正常工作，使计算机A和计算机B正常工作，使收发光学系统A和收发光学系统B相互对准并正常工作。

2)本方法第二部分在激光收发端机A中执行以下操作：

从t₀时刻开始，计算机A每隔时间τ就对探测器A输出的电信号进行一次采样测量，每次采样测量获得一个采样测量值M_sA，在N_t×τ+t₀时刻总共获得N_t+1个采样测量值M_sA；按获得的时间先后顺序把这N_t+1个采样测量值M_sA保存在计算机A的存储器中；在(i-1)×τ+t₀时刻获得第i个采样测量值M_sA，其中i＝1,2,3,…,N_t+1。

3)本方法第三部分在激光收发端机B中执行以下操作：

从t₀时刻开始，计算机B每隔时间τ就对探测器B输出的电信号进行一次采样测量，每次采样测量获得一个采样测量值M_sB，在N_t×τ+t₀时刻总共获得N_t+1个采样测量值M_sB；按获得的时间先后顺序把这N_t+1个采样测量值M_sB保存在计算机B的存储器中；在(i-1)×τ+t₀时刻获得第i个采样测量值M_sB，其中i＝1,2,3,…,N_t+1。

4)本方法第四部分在计算机A上从保存在计算机A的存储器中的N_t+1个采样测量值M_sA中提取原始随机比特序列，具体步骤如下：

步骤Step401：在计算机A的存储器中创建n个包含

个元素的一维数组SA，数组SA的元素用于保存采样测量值M_sA，

表示对x向下取整；在计算机A的存储器中创建包含n×(e+1)个元素的一维数组BITA，e为整数且

s为整数且

数组BITA的元素用于保存提取的原始随机比特值；

步骤Step402：把在

时刻获得的采样测量值M_sA赋值给第m个数组SA的第j个元素，其中m＝1,2,…,n，j＝1,2,…,

步骤Step403：令计数器Counter＝1；

步骤Step404：依次针对m＝1,2,…,n做下面的子步骤Step404-1和子步骤Step404-2描述的操作：

子步骤Step404-1：把第m个数组SA的所有元素当作一个时间域采样值序列，对这个时间域采样值序列进行离散傅里叶变换得到包含

个值的频谱域采样值序列SEQA；序列SEQA的各个采样值为复数；

子步骤Step404-2：依次针对j₁＝s,s+1,s+2,…,s+e做下面的①和②描述的操作：

①如果序列SEQA的第j₁个采样值的虚部大于0，则把数组BITA的第Counter个元素赋值为1，否则把数组BITA的第Counter个元素赋值为0；

②使Counter＝Counter+1；

5)本方法第五部分在计算机B上从保存在计算机B的存储器中的N_t+1个采样测量值M_sB中提取原始随机比特序列，具体步骤如下：

步骤Step501：在计算机B的存储器中创建n个包含

个元素的一维数组SB，数组SB的元素用于保存采样测量值M_sB，

表示对x向下取整；在计算机B的存储器中创建包含n×(e+1)个元素的一维数组BITB，e为整数且

s为整数且

数组BITB的元素用于保存提取的原始随机比特值；

步骤Step502：把在

时刻获得的采样测量值M_sB赋值给第m个数组SB的第j个元素，其中m＝1,2,…,n，j＝1,2,…,

步骤Step503：令计数器Counter2＝1；

步骤Step504：依次针对m＝1,2,…,n做下面的子步骤Step504-1和子步骤Step504-2描述的操作：

子步骤Step504-1：把第m个数组SB的所有元素当作一个时间域采样值序列，对这个时间域采样值序列进行离散傅里叶变换得到包含

个值的频谱域采样值序列SEQB；序列SEQB的各个采样值为复数；

子步骤Step504-2：依次针对j₂＝s,s+1,s+2,…,s+e做下面的a)和b)描述的操作：

a)如果序列SEQB的第j₂个采样值的虚部大于0，则把数组BITB的第Counter2个元素赋值为1，否则把数组BITB的第Counter2个元素赋值为0；

b)使Counter2＝Counter2+1；

6)本方法第六部分利用量子密钥分配后处理中的误码估计、密钥协商、错误校验技术找出并纠正数组BITA和数组BITB中存储的原始随机比特序列中的不一致比特，使数组BITA和数组BITB中存储的随机比特序列一致。

在实施本方法时，先执行本方法的第一部分，然后同时开始执行本方法的第二部分和第三部分，接着同时开始执行本方法的第四部分和第五部分，最后执行本方法的第六部分。

在本实施例中，N_t＝100000，n＝10，s＝1，e＝9900，t₀＝0毫秒，τ＝0.1毫秒。

在本实施例中，离散傅里叶变换使用Cambridge University Press 2011年出版的《Mathematical Methods for Optical Sciences》的13.3节的公式定义方式计算。序列SEQA的第1个采样值对应频率最低的频谱分量，序列SEQA的最后一个采样值对应频率最高的频谱分量，换句话说，序列SEQA的采样值对应的频谱分量的频率随采样值在序列SEQA中的序号的增加而增加。序列SEQB的第1个采样值对应频率最低的频谱分量，序列SEQB的最后一个采样值对应频率最高的频谱分量，换句话说，序列SEQB的采样值对应的频谱分量的频率随采样值在序列SEQB中的序号的增加而增加。只根据序列SEQA和序列SEQB的第s至第s+e个采样值提取随机比特，通过s和e可以控制对序列SEQA和序列SEQB的处理范围。

Claims (1)

1.基于频谱域的大气湍流光信道共享随机比特提取方法，其特征在于，所需的硬件系统和执行步骤如下：

需要激光收发端机A和激光收发端机B，激光收发端机A和激光收发端机B相互通视；激光收发端机A包括激光器A、收发光学系统A、探测器A和计算机A；激光收发端机B包括激光器B、收发光学系统B、探测器B和计算机B；激光器A发出的激光信号A001经收发光学系统A发射到大气湍流信道中，激光信号A001到达收发光学系统B后再入射到探测器B上；激光器B发出的激光信号B001经收发光学系统B发射到大气湍流信道中，激光信号B001到达收发光学系统A后再入射到探测器A上；计算机A实时采集探测器A输出的电信号，计算机B实时采集探测器B输出的电信号；

1)本方法第一部分使激光收发端机A和激光收发端机B正常工作，具体操作包括：

使激光器A和激光器B正常工作，使探测器A和探测器B正常工作，使计算机A和计算机B正常工作，使收发光学系统A和收发光学系统B相互对准并正常工作；

2)本方法第二部分在激光收发端机A中执行以下操作：

从t₀时刻开始，计算机A每隔时间τ就对探测器A输出的电信号进行一次采样测量，每次采样测量获得一个采样测量值M_sA，在N_t×τ+t₀时刻总共获得N_t+1个采样测量值M_sA；按获得的时间先后顺序把这N_t+1个采样测量值M_sA保存在计算机A的存储器中；在(i-1)×τ+t₀时刻获得第i个采样测量值M_sA，其中i＝1,2,3,…,N_t+1；

3)本方法第三部分在激光收发端机B中执行以下操作：

从t₀时刻开始，计算机B每隔时间τ就对探测器B输出的电信号进行一次采样测量，每次采样测量获得一个采样测量值M_sB，在N_t×τ+t₀时刻总共获得N_t+1个采样测量值M_sB；按获得的时间先后顺序把这N_t+1个采样测量值M_sB保存在计算机B的存储器中；在(i-1)×τ+t₀时刻获得第i个采样测量值M_sB，其中i＝1,2,3,…,N_t+1；

4)本方法第四部分在计算机A上从保存在计算机A的存储器中的N_t+1个采样测量值M_sA中提取原始随机比特序列，具体步骤如下：

步骤Step401：在计算机A的存储器中创建n个包含

个元素的一维数组SA，数组SA的元素用于保存采样测量值M_sA，

表示对x向下取整；在计算机A的存储器中创建包含n×(e+1)个元素的一维数组BITA，e为整数且

s为整数且

数组BITA的元素用于保存提取的原始随机比特值；

步骤Step402：把在

时刻获得的采样测量值M_sA赋值给第m个数组SA的第j个元素，其中m＝1,2,…,n，

步骤Step403：令计数器Counter＝1；

步骤Step404：依次针对m＝1,2,…,n做下面的子步骤Step404-1和子步骤Step404-2描述的操作：

子步骤Step404-1：把第m个数组SA的所有元素当作一个时间域采样值序列，对这个时间域采样值序列进行离散傅里叶变换得到包含

个值的频谱域采样值序列SEQA；序列SEQA的各个采样值为复数；

子步骤Step404-2：依次针对j₁＝s,s+1,s+2,…,s+e做下面的①和②描述的操作：

①如果序列SEQA的第j₁个采样值的虚部大于0，则把数组BITA的第Counter个元素赋值为1，否则把数组BITA的第Counter个元素赋值为0；

②使Counter＝Counter+1；

5)本方法第五部分在计算机B上从保存在计算机B的存储器中的N_t+1个采样测量值M_sB中提取原始随机比特序列，具体步骤如下：

步骤Step501：在计算机B的存储器中创建n个包含

个元素的一维数组SB，数组SB的元素用于保存采样测量值M_sB，

表示对x向下取整；在计算机B的存储器中创建包含n×(e+1)个元素的一维数组BITB，e为整数且

s为整数且

数组BITB的元素用于保存提取的原始随机比特值；

步骤Step502：把在

时刻获得的采样测量值M_sB赋值给第m个数组SB的第j个元素，其中m＝1,2,…,n，

步骤Step503：令计数器Counter2＝1；

步骤Step504：依次针对m＝1,2,…,n做下面的子步骤Step504-1和子步骤Step504-2描述的操作：

子步骤Step504-1：把第m个数组SB的所有元素当作一个时间域采样值序列，对这个时间域采样值序列进行离散傅里叶变换得到包含

个值的频谱域采样值序列SEQB；序列SEQB的各个采样值为复数；

子步骤Step504-2：依次针对j₂＝s,s+1,s+2,…,s+e做下面的a)和b)描述的操作：

a)如果序列SEQB的第j₂个采样值的虚部大于0，则把数组BITB的第Counter2个元素赋值为1，否则把数组BITB的第Counter2个元素赋值为0；

b)使Counter2＝Counter2+1；

6)本方法的第六部分利用量子密钥分配后处理中的误码估计、密钥协商、错误校验技术找出并纠正数组BITA和数组BITB中存储的原始随机比特序列中的不一致比特，使数组BITA和数组BITB中存储的随机比特序列一致；

在实施本方法时，先执行本方法的第一部分，然后同时开始执行本方法的第二部分和第三部分，接着同时开始执行本方法的第四部分和第五部分，最后执行本方法的第六部分。

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