CN111342958A - 低误码率的y-00量子噪声流加密传输方法 - Google Patents

低误码率的y-00量子噪声流加密传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供低误码率的Y‑00量子噪声流加密传输方法，包括：发送端通过低密度奇偶校验码的生成矩阵对经过BPSK调制的信息序列进行前向纠错编码，得编码信息序列；发送端通过基序列对编码信息序列中的比特逐位分别进行Y‑00加密，得到多个加密编码信息序列；发送端对多个加密编码信息序列进行QAM调制；发送端对各个正交的子载波进行OFDM调制和并串变换并传输；接收端接收信号，串并变换和OFDM解调；接收端对多个正交的子载波QAM解调，得到多个加密编码信息序列；接收端通过基序列对多个加密编码信息序列进行Y‑00解密，得到经过BPSK调制的信息序列；接收端通过LDPC FEC解码器迭代计算，得到要传输的信息序列。

Description

低误码率的Y-00量子噪声流加密传输方法
技术领域
本发明涉及安全光通信技术领域，尤其涉及一种低误码率的Y-00量子噪声流加密传输方法。
背景技术
安全光通信近年来在国际上发展迅速，它是以抵御线路或节点窃听攻击为目的的新体制光通信技术，以增强抗截获信息防护能力为手段，归属于光网络物理层安全的研究范畴。
当前针对安全光通信的基础方式可以分为两类：一类是量子密钥分发理论，另一类是物理层安全理论。其中主流方式之一是量子流噪声加密(QNSC)光通信。QNSC是一种高度安全的物理层加密技术。通过细分信号的物理状态(幅度和相位)，减小的欧氏距离得到对噪声更加敏感的系统。对于合法接收者，使用共享密钥进行解密操作后，可以保证系统的传输性能。但是，对于窃听者，当故意将其嵌入噪声时，很难区分信号状态。
QNSC安全光通信通常使用前向纠错码(FEC)增加冗余开销来保证较低的误码率。然而对于长距离高速率的情况，现有的纠错方法能提供的计算编码增益性能很有限，若是增加开销以强行弥补信道增益，又会拉低信号的传输速率。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种低误码率的Y-00量子噪声流加密传输方法，以解决现有的安全光通信传输时距离不够远远、传输速率不够好的问题。
基于上述目的，本发明提供了一种低误码率的Y-00量子噪声流加密传输方法，包括：
发送端通过低密度奇偶校验码的生成矩阵对经过BPSK调制的信息序列进行前向纠错编码，得到数字形式的编码信息序列；
发送端通过基序列对所述编码信息序列中的比特逐位分别进行Y-00量子噪声流加密，得到多个加密编码信息序列；
发送端对多个加密编码信息序列进行QAM调制，得到相同数量个正交的子载波；
发送端对各个正交的子载波进行OFDM调制和并串变换，并传输并串变换后所得信号；
接收端接收信号，并对所述信号进行串并变换和OFDM解调，得到多个正交的子载波；以及
接收端对所述多个正交的子载波进QAM解调，得到多个加密编码信息序列；
接收端通过基序列对多个加密编码信息序列进行Y-00量子噪声流解密，得到所述经过BPSK调制的信息序列；
接收端通过LDPC FEC解码器迭代计算，得到发送端要传输的信息序列。
在其中一个实施例中，所述OFDM调制包括：
在所述多个正交的子载波中插入导频子载波，得到待传输子载波；
将信道分割为多个正交子信道，并分别将待传输子载波调制至正交子信道上传输；
将所述待传输子信道进行快速傅立叶逆变换；以及
对所述快速傅立叶逆变换所得信息添加循环前缀。
在其中一个实施例中，所述导频子载波的频率范围与所述正交的子载波的频率范围相同。
在其中一个实施例中，所述OFDM解调包括：
将串并变换所得并行信号形式的数据去循环前缀；
将去循环前缀所得信息进行快速傅立叶变换，得到待传输子信道；以及
对所述待传输子信道进行信道估计，识别所述待传输子信道中的导频子载波，得到多个正交的子载波。
在其中一个实施例中，对所述待传输子信道进行信道估计包括：识别导频子载波的信道信息；在频域内进行内插，恢复出信道的频率响应，得到正交子信道上传输的所有正交子载波的频率。
在其中一个实施例中，接收端对多个加密编码信息序列进行QAM调制包括：
分别将多个加密编码信息序列按照顺序一一映射为包含I路和Q路两个幅度坐标的星座点；以及
将所述星座点的I路和Q路两个幅度坐标映射至相互正交的子载波上，得到第一数量的正交子载波，所述第一数量与所述星座点的数量相同。
在其中一个实施例中，所述QAM解调包括：
对多个相互正交的子载波进行解映射，得到多个星座点的I路和Q路两个幅度坐标；以及
分别将多个星座点的I路和Q路两个幅度坐标照顺序一一解映射为多个加密编码信息序列。
在其中一个实施例中，所述Y-00量子噪声流加密包括：
随机分配基序列与编码信息序列中的比特位的对应关系；
分别将编码信息序列的每一比特位与对应的基序列的第一位按照顺序一一异或；以及
分别将各个基序列的第十位更新为对应的异或结果，即得到多个加密编码信息序列。
在其中一个实施例中，所述Y-00量子噪声流解密包括：
将所述多个加密编码信息序列的第一位与对应的基序列的第十位按照顺序一一异或，将异或所得结果按照顺序组成序列，即得到编码信息序列。
在其中一个实施例中，所述低密度奇偶校验码的生成矩阵的尺寸可以为(60000，53570)。
从上面所述可以看出，本发明提供的方法，在发送端通过低密度奇偶校验码对信息序列进行前向纠错编码和通过Y-00量子噪声流进行加密，在接收端进行Y-00量子噪声流解密以及通过低密度奇偶校验前向纠错解码，在保证安全性不减弱的情况下，可以降低系统的误码率，支撑长距离高速率的传输需求；在加大开销与提高纠错性能之间实现了很好的平衡，还能避免低密度奇偶数算法在长距离高速率传输中带来的高能耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的低误码率的Y-00量子噪声流加密传输方法的流程图；
图2为本发明实施例的Y-00量子噪声流加密的流程图；
图3为本发明实施例的QAM加密模型的示意图；
图4为本发明实施例的Y-00协议的示意图；
图5为本发明实施例的基于Y00协议的噪声加密安全光通信方案的示意图；
图6为本发明实施例的OFDM调制的示意图；
图7为本发明实施例的OFDM解调的示意图；
图8为本发明实施例的LDPC-FEC解码器电路实现的顶层框图；
图9为本发明实施例的基于LDPC FEC的Y-00量子噪声流加密传输方法的又一流程图；
图10为本发明实施例的基于LDPC FEC的Y-00量子噪声流加密传输方法的发送端的流程图；
图11为本发明实施例的基于LDPC FEC的Y-00量子噪声流加密传输方法的接收端的流程图。
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，除非另外定义，本发明实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
前向纠错(FEC)码，是一种前向性纠错技术，发送方将要发送的数据加上一定的冗余纠错码一起发送，接收方则根据纠错码对接收到的数据进行差错检测，如发现差错，则由接收方进行纠错。它是现代高性能通信系统的关键部分。
本发明的发明人在长期的安全光通信的研究工作中发现，以ITU-T G.975.1为代表的上一代FEC码，在长距离高速率传输时，开销在7％到20％甚至更多，能提供的计算编码增益性能很有限，仅有8dB，只能应用于100Gbps的速率。而对于200Gbps及以上的速率，至少需要增益在10dB以上。若是增加开销以强行弥补信道增益，又会拉低信号的传输速率。
为了解决上述的FEC码在长距离传输中存在的问题，本发明提出一种在量子噪声流加密中应用的全新的拥有更高增益的前向纠错算法来保证长距离高速率量子噪声流加密安全光通信的传输需求，降低误码率，增加传输速率。
如图1所示，为本发明实施例的低误码率的Y-00量子噪声流加密传输方法，包括：
S100，发送端通过低密度奇偶校验码的生成矩阵对经过BPSK调制的信息序列进行前向纠错编码，得到编码信息序列；
S200，发送端通过基序列对所述编码信息序列中的比特逐位分别进行Y-00量子噪声流加密，得到多个加密编码信息序列；
S300，发送端对多个加密编码信息序列进行QAM调制，得到相同数量个正交的子载波；
S400，发送端对各个正交的子载波进行OFDM调制和并串变换，并传输并串变换后所得信号；
S500，接收端接收信号，并对所述信号进行串并变换和OFDM解调，得到多个正交的子载波；以及
S600，接收端对所述多个相互正交的子载波进行QAM解调，得到多个加密编码信息序列；
S700，接收端通过基序列对多个加密编码信息序列进行Y-00量子噪声流解密，得到编码信息序列；
S800，接收端通过LDPC FEC解码器迭代计算，得到发送端要传输的所述经过BPSK调制的信息序列。
本发明提供的方法，在发送端通过低密度奇偶校验码对信息序列进行前向纠错编码和通过Y-00量子噪声流进行加密，在接收端进行Y-00量子噪声流解密以及通过低密度奇偶校验前向纠错解码，在保证安全性不减弱的情况下，可以降低系统的误码率，支撑长距离高速率的传输需求；在加大开销与提高纠错性能之间实现了很好的平衡，还能避免低密度奇偶数算法在长距离高速率传输中带来的高能耗。
步骤S100中，BPSK，即Binary Phase Shift Keying(二进制相移键控调制)，能够将模拟信号转换成数据值，并利用偏离相位的复数波浪组合来表现信息键控移相。具体地，BPSK采用基准的正弦波和相位反转的波浪，使一方为0，另一方为1，从而可以同时传送接受2值(1比特)的信息。
低密度奇偶校验码(LDPC)为具有稀疏校验矩阵的线性分组码(linear blockcodes)。低密度奇偶校验码的生成矩阵的尺寸可以为(60000，53570)，奇偶校验的数量为6430，码长为60000，矩阵的列为变量节点(VNs)，矩阵的行为校验节点(CNs)。该低密度奇偶校验码容易实现，例如可以通过专用集成电路(ASIC)制造技术来实现所需的编码增益和吞吐量。定义低密度奇偶校验码的生成矩阵为F，经过BPSK调制后的信号为S，则编码信息序列为SF＝S×F。
通过低密度奇偶校验码的生成矩阵作为信息序列前向纠错编码的软判决码，能够并行译码，从而降低译码复杂度，降低交互次数和通信量等，可以极大降低损耗，同时还可通过检测译码错误降低误码率，增加传输的速率和传输的安全性。
如图4和图5，步骤S200中，Y-00为Y-00协议，Y-00量子噪声流加密为一种基于噪声的物理层加密，采用密集的M-ary键控(多级调制)，不需要额外的带宽，其特点是使用当前光纤通信系统中广泛使用的组件。为了避免窃听，Y-00协议的一个基本思想是通过噪声屏蔽信号电平，从而使窃听者无法正确识别电平。对于安全性评估，当前通信系统中一个优先考虑的问题是对仅针对密文攻击(COAs)和已知明文攻击(kpa)的密钥估计进行鲁棒性评估。窃听者的攻击过程一般包括两个步骤。第一步是正确读取加密数据(密文)。然后对密文进行数学处理，恢复原始数据(明文)或密钥。如图4所示，Y-00协议使用“发送二进制数据的基础”的多级加密，使第一步变得困难。一般情况下，基于数学算法的传统密码将明文的二进制数据转换为二进制密文。因此，窃听者可以很容易地分辨出密文的两个正确的信号电平(“0”，“1”)，从而使窃听者成功地获得了正确的密文本身，这可能导致密码破解。另一方面，在Y-00协议中，二进制数据通过一组碱基对多级信令进行彻底加密。每个基都携带如图4中基选择所示的二进制数据，当采用密集的多级信号，且噪声量大于多级信号的最小可解码信号差时，噪声掩盖了信号电平，避免了正确的信号电平检测。因此，对于窃听者来说，这种类型的密码提供了比数学密码更高的安全级别。基于Y00协议的噪声加密安全光通信方案如图5所示。本发明采用基于幅度/相位调制的噪声加密方法，主要通过将信号映射到幅度/相位空间，可充分利用信号的相位空间状态，实现信号的多维空间隐藏，能够实现大限度的噪声遮掩。
如图2，所述通过基序列对所述编码信息序列中的比特逐位分别进行Y-00量子噪声流加密，得到多个加密编码信息序列包括：
S210，随机分配基序列与编码信息序列中的比特位的对应关系；
S220，分别将编码信息序列的每一比特位与对应的基序列的第一预设位按照顺序一一异或；以及
S230，分别将各个基序列的第二预设位更新为对应的异或结果，即得到多个加密编码信息序列。
应当说明的是，在随机分配基序列与编码信息序列中的比特位的对应关系时，每一比特位对应的基的选择就代表了密钥。也就说，当分配完成后，每一比特位所对应的基是固定的，且该基携带了密钥信息。
所述基序列为通过伪随机数发生器随机生成的基序列，每个基的位数可以为十位。基序列的第一预设位可以为基序列的第一位，第二预设位可以为基序列的第十位。定义基序列为B，当经过BPSK调制的信息序列中信息的位数为十位时，基序列为十组互不相关十位序列，即B1～10。
通过基序列分别对编码信息序列的每一位比特进行加密后，每一位比特的长度变为原长度10倍，加密所得编码信息序列的总长度为编码信息序列的长度的十倍。也就是说，用最终的得到的序列位数为十位的加密编码信息序列来表示所传输的一位符号，增加了窃听难度，从而提高了传输的安全性。
步骤S300中，QAM，即Quadrature Amplitude Modulation(正交振幅调制)，其加密模型如图3所示，通过相位+幅度状态定义数字或数字的组合。采用的QAM调制的阶数为1024，调制后形成1024×1024的信号空间，每个星座点即为信号空间中的点，每个点分别具有I路和Q路这两路的幅度坐标。
所述对多个加密编码信息序列进行QAM调制包括：
分别将多个加密编码信息序列按照顺序一一映射为包含I路和Q路两个幅度坐标的星座点；以及
将所述星座点的I路和Q路两个幅度坐标映射至相互正交的子载波上，得到第一数量的正交子载波，所述第一数量与所述星座点的数量相同。
具体地，在映射时，信号被分为两路，一路给I，另一路给Q，每一路一次给3比特的数据，该3比特的二进制数一共有8种不同的状态，分别对应8种不同的电平幅度，使I路有8个不同幅度的电平，同时使Q也有8个不同幅度的电平，使加密编码信息序列具有更大的符号率，从而具有更大的占用带宽，从而可获得更高的系统效率。
通过调制阶数为1024阶的QAM调制，分别将多个加密编码信息序列中数字组合形式的信号调制为多个正交的子载波，可以极大地改善了系统频带利率。
如图6所示，步骤S400中，所述OFDM调制包括：
S410，在所述正交的子载波中插入导频子载波，得到待传输子载波；
S420，将信道分割为多个正交子信道，并分别将待传输子载波调制至正交子信道上传输；
S430，将所述待传输子信道进行快速傅立叶逆变换；以及
S440，对所述快速傅立叶逆变换所得信息添加循环前缀。
具体地，S410中，所述导频子载波的频率范围与所述正交子载波的频率范围相同。插入导频子载波可以使信道在传输至接收端之后更好地进行信道估计，降低误码率。
S420中，正交子信道的数量与所述待传输子载波中子载波的数量相同，也就是说，每一个正交子载波都有对应的正交子信道。
快速傅立叶逆变换采用256位。
添加循环前缀，能够保证保证信号在FFT积分周期内总是具有整倍数周期。
并串变换指的是，将并行信号变为串行信号，获得正交频分复用OFDM传输信号。
步骤S500中，串并变换指的是接收端将接收到的正交频分复用OFDM传输信号变为并行信号。
如图7所示，所述OFDM解调包括：
S510，将串并变换所得并行信号形式的数据去循环前缀；
S520，将去循环前缀所得信息进行快速傅立叶变换，得到待传输子载波；以及
S530，对所述待传输子载波进行信道估计，识别所述待传输子载波中的导频子载波，得到正交子载波。
步骤S520中，快速傅立叶变换采用256位。
步骤S530中，所述信道估计为基于导频的非盲估计，通过在OFDM调制时插入的导频子载波可以得到导频位置的信道信息；再通过插值算法，在频域内进行内插，即可恢复出信道的频率响应，得到所有时刻的信道信息，即得到了信道上传输的所有正交子载波的频率。
步骤S540中，将所述正交子载波进行解映射为步骤S300中的映射的逆过程，具体的实现方式此处不再赘述。
步骤S600中，所述QAM解调包括：
对多个相互正交的子载波进行解映射，得到多个星座点的I路和Q路两个幅度坐标；以及
分别将多个星座点的I路和Q路两个幅度坐标照顺序一一解映射为多个加密编码信息序列。
步骤S700中，所述接收端通过基序列对多个加密编码信息序列进行Y-00量子噪声流解密，得到编码信息序列包括：
将所述多个加密编码信息序列的第一预设位与对应的基序列的第二预设位按照顺序一一异或，将异或所得结果按照顺序组成序列，即得到编码信息序列。
应当说明的是，在解密时使用的基序列与加密时使用的基序列相同，接收端在接收到加密编码信息序列时，能够识别其中的密钥信息，并选择具有对应密钥信息的基序列，从而对加密编码信息序列进行解密，还原出原始的比特位。
加密编码信息序列中的数据和密钥经过映射后通过过信道传输到达接收端时，合法接收端由于与发送端共享相同的密钥，使得噪声对于合法接收端的影响很小，能够从噪声中准确的恢复出原始数据。而非法接收端无法获得密钥，使得噪声对信号的影响很大，从而非法接收端无法从噪声中准确的恢复出原始数据，即不能得知加密编码信息序列的比特位使用的是哪一组基序列进行的加密，就不能还原出编码信息序列，从而提高了传输的安全性。
如图8所示，步骤S800中，所述接收端通过LDPC FEC解码器迭代计算包括：
S810，在初始化期间，将VN存储器Mv设置为接收位的对数似然比(LLR)，其中LLR和Mv的量化位数q＝5，Mv出现不可恢复的符号时的u0值确定为阈值Tu，将其设置为64以提供安全余量；
S820，在CNs和VNs中执行计算，将不满足奇偶校验的次数储存在u0中，向量u存储当前迭代(u0)和先前迭代(u1至uL)未满足的奇偶校验方程的数量。其中因子s＝0.5，该因子允许调整CN到VN的传入消息的权重以提高性能；
S830，将u的元素向左移动一个位置(ul←uL-1，uL-1←uL-2，依此类推。同时更新Mv，增加或减去其中低退化因子γ0＝＝0.5或高退化因子γ1＝＝3；以及
S840，对S820、S820步骤进行迭代，如果u0＝0，则解码已收敛到有效的码字上。立即停止迭代并输出硬决策位向量h。最大迭代次数为49(保留一个额外的迭代来加载和卸载解码器)。
通过在发送端使用LDPC FEC码对待传输信息序列进行编码并传输，接收端使用LDPC FEC码解码，既不增加很大的开销，又能大幅度提高信道增益，可以较好的满足高速率长距离的传输需求。
实施例
如图9、10和11所示，为一种低误码率的Y-00量子噪声流加密传输方法，包括：
步骤1：前向纠错编码——使用(60000，53570)尺寸的LDPC码的生成矩阵F对含有信息的BPSK信号S进行FEC前向纠错编码。得到编码后的信号SF＝S×F。
步骤2：Y-00加密——通过Y-00协议，对编码后的信息序列SF进行量子噪声流加密，使用1位信息10位基信息的加密格式。基B1～10为十组互不相关十位序列，对SF的每一位分配一个随机的基，令其与基的第一位行异或，得到的结果代替掉基的第十位，用最终的得到的这十位序列来表示所传输的一位符号，而每一位符号的对应基的选择则代表了密钥。因此经过加密之后，序列长度变为10倍，传输效率减少了9/10，得到加密后的信号SFB。
步骤3：QAM调制——对加密后的信号SFB进行1024QAM调制，形成1024×1024的信号空间。对于SF中的一位符号，对应的是SFB的十位比特，这十位比特就对应了1024×1024的信号空间中的一个星座点，该星座点就对应了QAM的I/Q两路的幅度坐标，将这个坐标映射到I/Q两路的两个正交子载波上，之后进入下一个步骤。
步骤4：OFDM调制——使用正交频分复用技术(OFDM)实现QAM调制过后的多载波传输，将信道分成若干正交子信道，通过IFFT调制到在每个子载波信道上进行传输(IFFT以及之后的FFT采用256位)。在快速傅立叶逆变换(IFFT)之前，插入导频子载波以进行信道估计。之后添加循环前缀，以保证有时延的OFDM信号在FFT积分周期内总是具有整倍数周期。添加循环前缀(CP)之后，进行并串变换，发送信号数据。
步骤5：OFDM解调——信号通过信道传输到接收端后，先进行OFDM解调与信道估计，信道估计可以估计信道对信号的影响，从而对信号进行补偿，降低误码。此处是基于导频的非盲估计，利用在发送端插入的导频符号恢复出导频位置的信道信息；之后，利用插值算法，获得所有时刻的信道信息。这种算法的基本思想是：信号在时域内插零，等效于在频域内进行内插，从而恢复出信道的频率响应。
步骤6：QAM解调——对OFDM解调过后的信号，进行QAM解调，得到加密信号SFB。
步骤7：Y-00解密——接收端通过量子密钥分发得到的密钥，对Y-00加密信号SFB进行解调。如果密钥正确的话，用表达一位符号的十位加密符号的第一位与该位符号对应的基的第十位进行异或，这样经过两次异或就可以还原出原符号。而对于窃听者来说，不能得知该位符号使用的是哪一组基序列进行的加密，就不能还原出原本的一位符号。解密后，就得到了SF，即含有冗余的经过LDPC FEC编码的序列。
步骤8：前向纠错译码——最后，通过LDPC FEC解码器迭代计算出最终的硬判决比特输出，也就是发送端要传输的信息S。
步骤8-1：在初始化期间，将VN存储器Mv设置为接收位的对数似然比(LLR)，其中LLR和Mv的量化位数q＝5，Mv出现不可恢复的符号时的u0值确定为阈值Tu，将其设置为64以提供安全余量。
步骤8-2：在CNs和VNs中执行计算，将不满足奇偶校验的次数储存在u0中，向量u存储当前迭代(u0)和先前迭代(u1至uL)未满足的奇偶校验方程的数量。其中因子s＝0.5，该因子允许调整CN到VN的传入消息的权重以提高性能。
步骤8-3：将u的元素向左移动一个位置(ul←uL-1，uL-1←uL-2，依此类推。同时更新Mv，增加或减去其中低退化因子γ0＝＝0.5或高退化因子γ1＝＝3。
步骤8-4：对2、3步骤进行迭代，如果u0＝0，则解码已收敛到有效的码字上。立即停止迭代并输出硬决策位向量h。最大迭代次数为49(保留一个额外的迭代来加载和卸载解码器)。
需要说明的是，本发明实施例的方法可以由单个设备执行，例如一台计算机或服务器等。本实施例的方法也可以应用于分布式场景下，由多台设备相互配合来完成。在这种分布式场景的情况下，这多台设备中的一台设备可以只执行本发明实施例的方法中的某一个或多个步骤，这多台设备相互之间会进行交互以完成所述的方法。
上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
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)

1.一种低误码率的Y-00量子噪声流加密传输方法，其特征在于，包括：
发送端通过低密度奇偶校验码的生成矩阵对经过BPSK调制的信息序列进行前向纠错编码，得到数字形式的编码信息序列；
发送端通过基序列对所述编码信息序列中的比特逐位分别进行Y-00量子噪声流加密，得到多个加密编码信息序列；
发送端对多个加密编码信息序列进行QAM调制，得到相同数量个正交的子载波；
发送端对各个正交的子载波进行OFDM调制和并串变换，并传输并串变换后所得信号；
接收端接收信号，并对所述信号进行串并变换和OFDM解调，得到多个正交的子载波；以及
接收端对所述多个正交的子载波进行QAM解调，得到多个加密编码信息序列；
接收端通过基序列对多个加密编码信息序列进行Y-00量子噪声流解密，得到所述经过BPSK调制的信息序列；
接收端通过LDPC FEC解码器迭代计算，得到发送端要传输的信息序列。
2.根据权利要求1所述的低误码率的Y-00量子噪声流加密传输方法，其特征在于，所述OFDM调制包括：
在所述多个正交的子载波中插入导频子载波，得到待传输子载波；
将信道分割为多个正交子信道，并分别将待传输子载波调制至正交子信道上传输；
将所述待传输子信道进行快速傅立叶逆变换；以及
对所述快速傅立叶逆变换所得信息添加循环前缀。
3.根据权利要求2所述的低误码率的Y-00量子噪声流加密传输方法，其特征在于，所述导频子载波的频率范围与所述正交的子载波的频率范围相同。
4.根据权利要求1所述的低误码率的Y-00量子噪声流加密传输方法，其特征在于，所述OFDM解调包括：
将串并变换所得并行信号形式的数据去循环前缀；
将去循环前缀所得信息进行快速傅立叶变换，得到待传输子信道；以及
对所述待传输子信道进行信道估计，识别所述待传输子信道中的导频子载波，得到多个正交的子载波。
5.根据权利要求4所述的低误码率的Y-00量子噪声流加密传输方法，其特征在于，对所述待传输子信道进行信道估计包括：识别导频子载波的信道信息；在频域内进行内插，恢复出信道的频率响应，得到正交子信道上传输的所有正交子载波的频率。
6.根据权利要求1所述的低误码率的Y-00量子噪声流加密传输方法，其特征在于，接收端对多个加密编码信息序列进行QAM调制包括：
分别将多个加密编码信息序列按照顺序一一映射为包含I路和Q路两个幅度坐标的星座点；以及
将所述星座点的I路和Q路两个幅度坐标映射至相互正交的子载波上，得到第一数量的正交子载波，所述第一数量与所述星座点的数量相同。
7.根据权利要求6所述的低误码率的Y-00量子噪声流加密传输方法，其特征在于，所述QAM解调为步骤；
对多个相互正交的子载波进行解映射，得到多个星座点的I路和Q路两个幅度坐标；以及
分别将多个星座点的I路和Q路两个幅度坐标照顺序一一解映射为多个加密编码信息序列。
8.根据权利要求1所述的低误码率的Y-00量子噪声流加密传输方法，其特征在于，所述Y-00量子噪声流加密包括：
随机分配基序列与编码信息序列中的比特位的对应关系；
分别将编码信息序列的每一比特位与对应的基序列的第一位按照顺序一一异或；以及
分别将各个基序列的第十位更新为对应的异或结果，即得到多个加密编码信息序列。
9.根据权利要求8所述的低误码率的Y-00量子噪声流加密传输方法，其特征在于，所述Y-00量子噪声流解密包括：
将所述多个加密编码信息序列的第一位与对应的基序列的第十位按照顺序一一异或，将异或所得结果按照顺序组成序列，即得到编码信息序列。
10.根据权利要求1所述的低误码率的Y-00量子噪声流加密传输方法，其特征在于，所述低密度奇偶校验码的生成矩阵的尺寸可以为(60000，53570)。
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111934812A (zh) * 2020-06-30 2020-11-13 暨南大学 通信网络物理层信号加密、解密方法
CN112468236A (zh) * 2020-11-16 2021-03-09 桂林电子科技大学 一种基于光子噪声混叠多进制变换的信息安全传输方法
CN112600666A (zh) * 2020-11-18 2021-04-02 中山大学 量子安全通信方法、装置、计算机设备和存储介质
CN113904770A (zh) * 2021-09-03 2022-01-07 北京邮电大学 一种量子噪声流加密密钥更新方法、装置和存储介质
CN114338200A (zh) * 2021-12-30 2022-04-12 南京卓宇智能科技有限公司 一种宽带自适应调制信道估计信噪比信息加密方法
CN114614906A (zh) * 2022-03-29 2022-06-10 西南交通大学 一种基于概率整形的量子噪声流掩盖传输方法
CN114884721A (zh) * 2022-04-28 2022-08-09 北京邮电大学 基于量子噪声流加密的自由空间光通信方法及相关设备

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2081317A2 (en) * 2008-01-18 2009-07-22 Magiq Technologies, INC. Quantum key distribution system and method of performing quantum key distribution
CN107579961A (zh) * 2017-08-23 2018-01-12 电子科技大学 一种接入网的信息保密传输方法
CN107819718A (zh) * 2017-11-16 2018-03-20 北京卫星信息工程研究所 基于反格雷码映射的ldpc‑y‑cofdm安全控制方法及系统
CN108521294A (zh) * 2018-03-14 2018-09-11 北京邮电大学 紫外光通信的ldpc码校验矩阵的构造方法及装置
CN109347567A (zh) * 2018-12-12 2019-02-15 暨南大学 Ghz最大纠缠纯态的纠缠浓缩方法以及系统
CN109412797A (zh) * 2018-11-05 2019-03-01 北京邮电大学 基于误码率判决状态基的密钥协商方法和客户端
CN109525560A (zh) * 2018-10-26 2019-03-26 北京邮电大学 基于密文取非映射的信息传输方法和客户端
CN109889338A (zh) * 2019-04-22 2019-06-14 苏州大学 基于混沌序列的量子加密方法
CN110233701A (zh) * 2019-05-25 2019-09-13 西南电子技术研究所（中国电子科技集团公司第十研究所） 无线通信物理层通信安全的编解码方法
CN110365474A (zh) * 2019-06-19 2019-10-22 北京邮电大学 密钥协商方法及通信设备

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2081317A2 (en) * 2008-01-18 2009-07-22 Magiq Technologies, INC. Quantum key distribution system and method of performing quantum key distribution
CN107579961A (zh) * 2017-08-23 2018-01-12 电子科技大学 一种接入网的信息保密传输方法
CN107819718A (zh) * 2017-11-16 2018-03-20 北京卫星信息工程研究所 基于反格雷码映射的ldpc‑y‑cofdm安全控制方法及系统
CN108521294A (zh) * 2018-03-14 2018-09-11 北京邮电大学 紫外光通信的ldpc码校验矩阵的构造方法及装置
CN109525560A (zh) * 2018-10-26 2019-03-26 北京邮电大学 基于密文取非映射的信息传输方法和客户端
CN109412797A (zh) * 2018-11-05 2019-03-01 北京邮电大学 基于误码率判决状态基的密钥协商方法和客户端
CN109347567A (zh) * 2018-12-12 2019-02-15 暨南大学 Ghz最大纠缠纯态的纠缠浓缩方法以及系统
CN109889338A (zh) * 2019-04-22 2019-06-14 苏州大学 基于混沌序列的量子加密方法
CN110233701A (zh) * 2019-05-25 2019-09-13 西南电子技术研究所（中国电子科技集团公司第十研究所） 无线通信物理层通信安全的编解码方法
CN110365474A (zh) * 2019-06-19 2019-10-22 北京邮电大学 密钥协商方法及通信设备

Non-Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHAO LEI: "《Key Distribution Based on Survival Life Time with Y-00 Protocol in Optical Fiber Link》", 《IEICE》 *
CHAO LEI等: "《Digital Coherent Quantum Noise Stream Cipher over 300km Span Fiber without Intermediate Amplifier》", 《ASIA COMMUNICATIONS AND PHOTONICS CONFERENCE 2020》 *
CHAO LEI等: "《Long-haul and High-speed Key Distribution Based on Oneway Non-dual Arbitrary Basis Transformation in Optical Fiber Link》", 《IEEE XPLORE》 *
CHAO LEI等: "《Long-haul Stealth Communication Based on Different State Bases Unidirectional Loopback in Optical Fiber Link》", 《IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON ARTIFICIAL INTELLIGENCE AND INFORMATION SYSTEMS》 *
XIAOKUN YANG等: "《DFTs-OFDM based quantum noise stream cipher system》", 《OPTICS COMMUNICATIONS》 *
XIAOKUN YANG等: "《Single-carrier QAM/QNSC and PSK/QNSC transmission systems with bit-resolution limited DACs》", 《OPTICS COMMUNICATIONS》 *
ZHIWEI TU: "《Experiment Demonstration of Physical Layer Secret Key Distribution with Information Reconciliation in Digital Coherent Optical OFDM System》", 《ASIA COMMUNICATIONS AND PHOTONICS CONFERENCE (ACP)》 *
刘宇明、雷超等: "《基于光通信物理层的密钥分发与加密控制系统研究》", 《电力信息与通信技术》 *
刘川等: "《基于LDPC码的相干光通信QNSC系统方案》", 《光通信技术》 *
张旭等: "《基于量子噪声流加密的光纤物理层安全传输技术》", 《量子通信》 *
张秋芳等: "《量子噪声随机加密技术研究的现状及其发展趋势》", 《2019年全国公共安全通信学术研讨会优秀论文集》 *
马乐等: "《光通信物理层安全中量子噪声流加密综述》", 《激光与光电子学进展》 *

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111934812A (zh) * 2020-06-30 2020-11-13 暨南大学 通信网络物理层信号加密、解密方法
CN111934812B (zh) * 2020-06-30 2023-10-17 暨南大学 通信网络物理层信号加密、解密方法
CN112468236A (zh) * 2020-11-16 2021-03-09 桂林电子科技大学 一种基于光子噪声混叠多进制变换的信息安全传输方法
CN112468236B (zh) * 2020-11-16 2022-04-15 桂林电子科技大学 一种基于光子噪声混叠多进制变换的信息安全传输方法
CN112600666A (zh) * 2020-11-18 2021-04-02 中山大学 量子安全通信方法、装置、计算机设备和存储介质
CN113904770A (zh) * 2021-09-03 2022-01-07 北京邮电大学 一种量子噪声流加密密钥更新方法、装置和存储介质
CN113904770B (zh) * 2021-09-03 2023-02-28 北京邮电大学 一种量子噪声流加密密钥更新方法、装置和存储介质
CN114338200A (zh) * 2021-12-30 2022-04-12 南京卓宇智能科技有限公司 一种宽带自适应调制信道估计信噪比信息加密方法
CN114614906A (zh) * 2022-03-29 2022-06-10 西南交通大学 一种基于概率整形的量子噪声流掩盖传输方法
CN114614906B (zh) * 2022-03-29 2023-05-02 西南交通大学 一种基于概率整形的量子噪声流掩盖传输方法
CN114884721A (zh) * 2022-04-28 2022-08-09 北京邮电大学 基于量子噪声流加密的自由空间光通信方法及相关设备

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