CN111082936B - 一种面向量子密钥分发的可变步长盲信息协调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向量子密钥分发的可变步长盲信息协调方法，采用盲协调协议的过程，在所述过程中包括：设置s＝0,p＝d,Δ₀＝0，其中p为符号数，s为发送和接收双方共同确定码字中的位置数，n为整个码长；如果接收方不能成功完成协调，则发送方会认为错误率大于原来预想的情况，则释放可变步长的裁切位信息Δ_i给接收方。本发明具有能够缓解了协调效率和协议执行时间之间矛盾、提高协调效率、缩短协议执行时间等优点。

Description

一种面向量子密钥分发的可变步长盲信息协调方法

技术领域

本发明主要涉及到量子通讯技术领域，特指一种面向量子密钥分发的可变步长盲信息协调方法。

背景技术

量子密钥分配需经历两个阶段：量子信号传输阶段和经典信息处理阶段。将要共享密钥的双方发送方和接收方首先通过量子信道获得粗密钥，但由于密钥分配协议本身有限的效率、实际器件的不完美性和第三方的窃听等因素，粗密钥中通常还会存在双方不一致的误码和信息泄露。因此，在经典信息处理阶段，为了提纯粗密钥，密钥分配双方获得的数据串必须经过协调来确保两端得到同样的数据串。这个通过公开的无噪信道来发布一定信息，以消除双方信息比特串差异的过程被称为密钥信息协调。

信息协调协议，其目的都是从两个具有相关性的数据串中提取出双方一致的数据串，一致性由公开在通信信道上的信息来保证。从经典信息论的角度来看，该问题与基于边信息的信源编码是等同的。

将发送方和接收方视为两个相关的信源，X和Y分别是从这两个信源输出的离散随机变量，则Xn和Yn代表着从信源获得的相关序列。信息协调过程就是让接收方在Yn和接收到的消息M的帮助下恢复Xn的过程，其中消息M是通过无损信道从发送方的信源端传输至接收方。在基于边信息的信源编码中，发送方编码序列Xn的信息并传输给接收方，接收方利用边信息Yn和发送方提供的信息M来恢复得到Xn’，通过边信息和消息M的共同作用，有极大的可能使得Xn’＝Xn。在该模型中，消息M可看成是对信源发送方的信息序列Xn的编码结果。为了保证接收方能正确译出Xn，Slepian和Wolf证明了编码结果M的长度不能短于H(X|Y)。

由此可以看出，密钥信息协调和基于边信息的信源编码是等价问题，并且H(X|Y)也是信息协调协议中所需传递的消息长度下限。但在实际的信息协调协议中，往往达不到这个下限值，需要传输更多的比特信息。因此，为了评估实际信息协调协议的效率，通常定义一个效率参数f≥1，则有：

I_real＝fH(X|Y)≥I_opt

其中，I_real是在实际协调协议中传输的信息量，I_opt是协调发送方和接收方密钥串所需的最少信息量，H(X|Y)是条件熵。

然而，除了协议效率，评估一个信息协调协议的性能还有另外一个重要参数：交互次数。交互次数是实际实现中所需关注的，特别是在网络延迟时间较长的情景下，交互的次数越多，耗费在通信上的时间就越多，整个量子密钥分配系统的密钥产生效率将受到影响。

在量子密钥分配的信息协调过程中，LDPC在近年来被广泛使用。LDPC码只需要一轮交互就能纠正密钥中的所有错误。当完成量子传输和粗密钥筛选后，发送方计算自身密钥串的伴随式并发送给接收方，在协议中将发送方的比特串认为是正确且标准的。由于LDPC编码本身就具有对长码纠错的能力，所以不需要对密钥进行分组从而缩短码长；另一方面，也不需要交换校验结果，唯一的通信只是传输整个密钥串的伴随式计算结果。接收方可以利用接收到的正确的伴随式和自身的伴随式来纠正所有不同的比特值，使得纠错后的结果与发送方的比特串一致。

在基于LDPC码的信息协调协议的最初阶段，要求发送方和接收方公开一部分的密钥，以此来估计双方密钥串的错误率，根据不同的错误率来决定在协调过程中的一系列参数，如编码码率等。但错误率估计也会随之带来一系列问题：(1)最终密钥率的降低。发送方和接收方双方在公用信道上公开的密钥将不能再称之为“密钥”，一旦公开，就需从最终的密钥串中删除，这样的方法，是牺牲一部分密钥来获取一定量的信息，将直接影响整个量子密钥分配系统的密钥率。(2)纠错编码适应性差。估计的错误率将决定纠错过程中采用哪种编码方式，一般来说，不同的错误率将对应选择不同的编码码率。由于在LDPC协议中，LDPC码的纠错性能与码率息息相关。所以，一定码率的LDPC编码只能够纠正某一错误率范围内的错误，并且在某一码率覆盖的错误率范围内，协议效率差别也很大，每一种规则LDPC编码只有一个最佳的工作点，对实验系统的不同误码率的适应性较低。

有从业者提出了一种盲信息协调协议，该盲信息协调协议为：不对双方比特串的错误率做估计，在未知错误率的前提下，对信息做“盲”协调，将能够避免协议中上述缺陷。为了实现盲协调，必须解决码率与错误率之间的适应关系，当一种LDPC编码能适用于整个错误区间时，就不再依赖于对错误率的事先估计。因此，信息论与编码理论中两种码率自适应的方法可以运用到信息协调协议中。(1)打孔。打孔是通过从原码字结构C(n,k)中删减p个符号，将码字变换为C(n-p,k)的结构，码率增加至R(p)＝k/(n-p)＝R₀/(1-π)，其中R₀＝k/n表示打孔前的原始码率，π＝p/n表示打孔符号个数占整个码长的百分比。(2)裁切。裁切是发送和接收双方共同确定码字中某些约定好的s个位置为固定值，那么，码字结构将从C(n,k)变为C(n-s,k-s)。

如果同时考虑打孔p个符号并且缩短s个符号，那么原始码字就变成了C(n-p-s,k-s)，其码率变为R(p)＝(k-s)/(n-p-s)＝(R₀-σ)/(1-π-σ)，其中，σ＝s/n表示缩短符号数占整个码长的百分比。定义δ为打孔和缩短的符号占总符号数的百分比，则δ＝d/s＝π+σ。δ调整下的码率适应编码将能够覆盖的码率范围[R_min,R_max]为：

盲协调协议不需要事先估计错误率，只需要简单地知道错误率范围来选择合适的初始编码码率，协议还需提前确定最大交互轮数t。现有盲协调协议过程的具体步骤为：

第零步：设置。假设编码C(n,k)能纠正信息序列中最高ε_max的错误率，X和Y分别是发送方和接收方的密钥串，其长度均为m＝n-d，发送方和接收方协商希望最多经过t轮迭代能够协调得到一致的密钥串。发送方和接收方设定s＝0，p＝d，Δ＝d/t。

第一步：编码。发送方随机选择d个符号位置打孔，添加随机比特值，组合成为长度为n的数据串X’。发送方计算数据串的伴随式并发送给接收方，并告知接收方打孔的位置。

第二步：解码。接收方将自身的数据串Y和接收到的s个比特、p个随机比特组合，生成数据串Y’，执行纠错算法，如果纠错结果的伴随式与发送方一致，接收方恢复数据串X，协议成功并停止。

第三步：再传。如果d＝s，协议失败；如果不是，发送方设置s＝s+Δ，再公开Δ个比特值传送给接收方，然后回到第二步，再次执行新的一轮迭代。

在上述现有的盲信息协调协议中，存在协议效率和协议执行时间之间的矛盾。在同一错误率的前提下，迭代次数越多即t值越大，其协议效率越接近理想情况(理想情况下效率f＝1)。但是协议效率与协议耗费的时间存在矛盾关系。当t值取得越大，协议效率固然更好，但同时，也意味着协调的交互次数也越多，在通信链路具有延迟，特别是复杂网络环境中，协议运行的时间也将越长。

然而，在量子密钥分配系统中，后处理花费的时间将很大程度上决定最终生成密钥的速率。若后处理耗费的时间过多，将难以跟上量子信道中密钥分配过程的速度，放慢整个量子密钥分配系统的协议执行周期，或者是出现在后处理中因速率不匹配而丢失信息的情况，未被处理的粗密钥不能得到有效的共享密钥，不能体现整个密钥分配协议的密钥分配性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种能够缓解了协调效率和协议执行时间之间矛盾、提高协调效率、缩短协议执行时间的面向量子密钥分发的可变步长盲信息协调方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种面向量子密钥分发的可变步长盲信息协调方法，采用盲协调协议的过程，在所述过程中包括：设置s＝0,p＝d,Δ₀＝0，其中p为符号数，s为发送和接收双方共同确定码字中的位置数，n为整个码长；如果接收方不能成功完成协调，则发送方会认为错误率大于原来预想的情况，则释放可变步长的裁切位信息Δ_i给接收方，其中：

Δ_i＝Δ_i-1+δ,δ∈R,i∈[0,N)

其中δ为每次迭代中被公布信息的增量。

作为本发明的进一步改进：在所述盲协调协议过程的初始阶段，假设发送方与接收方选择编码C(n,k)，X和Y分别是发送方和接收方的密钥串，其长度均为m＝n-d；发送方设定s＝0，p＝d，Δ₀＝0,i＝0，接收方设定s＝0，p＝d。

作为本发明的进一步改进：在所述盲协调协议过程的执行阶段，发送方随机选择d个符号位置打孔，添加随机比特值，组合编码成为长度为n的数据串；发送方计算数据串的伴随式并发送给接收方，并告知接收方打孔的位置；接收方收到X′的伴随式及打孔的位置，保存X′的伴随式及打孔的位置；接收方将自身的数据串Y、打孔位置信息和接收到的裁切位信息组合，编码生成数据串Y′。

作为本发明的进一步改进：在所述盲协调协议过程的执行阶段，接收方执行解码算法，包括：

如果解码结果的伴随式与发送方一致，接收方恢复数据串X，接收方发送解码成功应答给接收方，协调成功，流程结束；

如果解码结果的伴随式与发送方不一致，接收方不能恢复数据串X，则发送解码失败应答给接收方，并进一步判断是否达到终止条件，即判断是否s＝d；

如果已经达到终止条件，则协调失败，流程结束；如果未达到终止条件，则等待接收方下一次迭代释放裁切位的信息。

作为本发明的进一步改进：在所述盲协调协议过程的执行阶段，发送方收到接收方发来的解码应答后，如果是解码成功应答，则协调成功，流程结束；如果是解码失败应答，则进一步判断是否达到终止条件，即判断是否s＝d。如果已经达到终止条件，则协调失败，流程结束；如果未达到终止条件，则i＝i+1，计算根据Δ_i＝Δ_i-1+δ，继续释放Δ_i个裁切位及其值给发送方，并等待接收方的应答。

作为本发明的进一步改进：在所述盲协调协议过程的执行阶段，接收方收到释放Δ_i个裁切位及其值后，进行新一轮的迭代。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的面向量子密钥分发的可变步长盲信息协调方法，利用可变步长的方式缓解了协调效率和协议执行时间之间的矛盾，在达到较好的协调效率的同时，缩短协议执行时间。通过将每次公开固定个Δ＝d/t比特值调整为每一轮迭代中公开可变数量Δi＝Δi-1+δ的比特值。其中，下标i表示第i轮迭代，δ为相邻两次迭代中被公布信息的变化量。因此，每轮迭代公开的比特值不再为定值，而是和迭代轮数相关的，随着迭代轮数的变化而变化。

2、本发明的面向量子密钥分发的可变步长盲信息协调方法，可在初始的几轮迭代中，减少发送方告知接收方的信息量，若接收方仍能成功纠错，即接收方端错误率较低时，那么本发明提出的可变步长盲协调协议的协议效率将比原协议更高；若没能在最初几轮迭代中成功纠错，那么随后的迭代中，每次发送方告知接收方的比特数(即裁切操作的比特位)将增加，这样，在接收方端错误率较高的情况下，本发明提出的可变步长盲协调协议只需比原协议运行更少的交互轮数，接收方就能够纠正自身的错误。因此，本发明利用可变步长的思想可以改善低误码率时协议效率，减少高误码率时的时间耗费。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

为了缓解协议效率和协议执行时间的矛盾，针对原有盲信息协调中每次迭代释放信息量都为固定值的问题,同样借助于打孔和缩短两种编码中的调整码率的方式，本发明提出可变步长的盲信息协调方法。

本发明的面向量子密钥分发的可变步长盲信息协调方法，采用盲协调协议的过程，在所述过程中包括：设置s＝0,p＝d,Δ₀＝0，其中p为符号数，s为发送和接收双方共同确定码字中的位置数，n为整个码长。如果接收方不能成功完成协调，则发送方会认为错误率大于原来预想的情况，则释放可变步长的裁切位信息Δ_i给接收方，其中：

Δ_i＝Δ_i-1+δ,δ∈R,i∈[0,N)

其中δ为每次迭代中被公布信息的增量。

在本发明盲协调协议过程的开始阶段，发送方和接收方假设错误率最小，并假设接收方能够在获得发送方最少的帮助下纠正自己码字内的错误，因此设置(s＝0,p＝d,Δ₀＝0)。如果接收方不能成功完成协调，则发送方会认为错误率大于原来预想的情况，则释放可变步长的裁切位信息Δ_i给接收方。因此，本发明的关键在于可变步长，即不同于原盲协调方法中每次公布的信息都为固定值Δ＝d/N的思想，是指每次公布的信息随着轮数的增多而增加。

这样，在一开始的少数几轮迭代中，发送方告知接收方的信息量可能很少，若接收方仍能成功纠错，那么改进后的盲协调协议的协议效率将有可能比原协议更高；若没能在最初成功纠错，那么随后的迭代中，每次接收方知道的比特数(即缩短操作的比特位)将加速增长，这样，在高误码率的情况下，接收方可能只需比原协议更少的交互轮数，就能够纠正自身的错误。

从以上分析可知，通过错误率与交互轮数这一粗略关系作为协议的“先验信息”，利用可变步长的思想可以改善低误码率时协议效率，减少高错误率时的时间耗费。

如图1所示，在具体应用实例在红，本发明的基于可变步长盲信息协调方法，包括：

步骤S1：假设发送方与接收方选择编码C(n,k)，X和Y分别是发送方和接收方的密钥串，其长度均为m＝n-d。发送方设定s＝0，p＝d，Δ₀＝0,i＝0，接收方设定s＝0，p＝d；

步骤S2：发送方随机选择d个符号位置打孔，添加随机比特值，组合编码成为长度为n的数据串。发送方计算数据串的伴随式并发送给接收方，并告知接收方打孔的位置；

步骤S3：接收方收到X′的伴随式及打孔的位置，保存X′的伴随式及打孔的位置；

步骤S4：接收方将自身的数据串Y、打孔位置信息和接收到的裁切位信息组合，编码生成数据串Y′。随后，接收方执行解码算法，如果解码结果的伴随式与发送方一致，接收方恢复数据串X，接收方发送解码成功应答给接收方，协调成功，流程结束。如果解码结果的伴随式与发送方不一致，接收方不能恢复数据串X，则发送解码失败应答给接收方，并进一步判断是否达到终止条件，即判断是否s＝d。如果已经达到终止条件，则协调失败，流程结束；如果未达到终止条件，则等待接收方下一次迭代释放裁切位的信息；

步骤S5：发送方收到接收方发来的解码应答后，如果是解码成功应答，则协调成功，流程结束；如果是解码失败应答，则进一步判断是否达到终止条件，即判断是否s＝d。如果已经达到终止条件，则协调失败，流程结束；如果未达到终止条件，则i＝i+1，计算根据Δ_i＝Δ_i-1+δ，继续释放Δ_i个裁切位及其值给发送方，并等待接收方的应答。

步骤S6：接收方收到释放Δ_i个裁切位及其值后，进入步骤S4，进行新一轮的迭代。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种面向量子密钥分发的可变步长盲信息协调方法，采用盲协调协议的过程，其特征在于，在所述过程中包括：设置s＝0,p＝d,Δ₀＝0，其中p为符号数，s为发送和接收双方共同确定码字中的位置数，n为整个码长；如果接收方不能成功完成协调，则发送方会认为错误率大于原来预想的情况，则释放可变步长的裁切位信息Δ_i给接收方，其中：

Δ_i＝Δ_i-1+δ,δ∈R,i∈[0,N)

其中δ为每次迭代中被公布信息的增量；

在所述盲协调协议过程的初始阶段，假设发送方与接收方选择编码C(n,k)，X和Y分别是发送方和接收方的密钥串，其长度均为m＝n-d；发送方设定s＝0，p＝d，Δ₀＝0,i＝0，接收方设定s＝0，p＝d；

在所述盲协调协议过程的执行阶段，发送方随机选择d个符号位置打孔，添加随机比特值，组合编码成为长度为n的数据串X'；发送方计算数据串的伴随式并发送给接收方，并告知接收方打孔的位置；接收方收到X′的伴随式及打孔的位置，保存X′的伴随式及打孔的位置；接收方将自身的数据串Y、打孔位置信息和接收到的裁切位信息组合，编码生成数据串Y′；

在所述盲协调协议过程的执行阶段，接收方执行解码算法，包括：

如果解码结果的伴随式与发送方一致，接收方恢复数据串X，接收方发送解码成功应答给接收方，协调成功，流程结束；

如果解码结果的伴随式与发送方不一致，接收方不能恢复数据串X，则发送解码失败应答给接收方，并进一步判断是否达到终止条件，即判断是否s＝d；

如果已经达到终止条件，则协调失败，流程结束；如果未达到终止条件，则等待接收方下一次迭代释放裁切位的信息；

在所述盲协调协议过程的执行阶段，发送方收到接收方发来的解码应答后，如果是解码成功应答，则协调成功，流程结束；如果是解码失败应答，则进一步判断是否达到终止条件，即判断是否s＝d，如果已经达到终止条件，则协调失败，流程结束；如果未达到终止条件，则i＝i+1，计算根据Δ_i＝Δ_i-1+δ，继续释放Δ_i个裁切位及其值给发送方，并等待接收方的应答。

2.根据权利要求1所述的面向量子密钥分发的可变步长盲信息协调方法，其特征在于，在所述盲协调协议过程的执行阶段，接收方收到释放Δ_i个裁切位及其值后，进行新一轮的迭代。

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