CN111934857B

CN111934857B - 一种适用于cv-qkd的最优码率自适应方法与装置

Info

Publication number: CN111934857B
Application number: CN202010629466.3A
Authority: CN
Inventors: 马荔; 徐兵杰; 李扬; 杨杰; 黄伟; 罗钰杰
Original assignee: CETC 30 Research Institute
Current assignee: CETC 30 Research Institute
Priority date: 2020-07-03
Filing date: 2020-07-03
Publication date: 2022-03-18
Anticipated expiration: 2040-07-03
Also published as: CN111934857A

Abstract

本发明公开了一种适用于CV‑QKD的最优码率自适应方法与装置，该方法包括：根据预设码长和预设度分布函数生成校验矩阵，以及获取符合目标信噪比的待协调数据；在多个不同的预设信噪比下通过校验矩阵对待协调数据进行译码得到误帧率的函数曲线，并对函数曲线进行拟合得到拟合结果；根据拟合结果计算得到最优协调效率，并根据最优协调效率计算得到最优信噪比；在最优信噪比下选择标准信噪比参数对待协调数据进行自适应译码，以实现最优安全码率，本发明能够根据系统工作条件确定最优安全码率，充分发挥系统系能。

Description

一种适用于CV-QKD的最优码率自适应方法与装置

技术领域

本发明涉及信息安全技术领域，特别是涉及一种适用于CV-QKD的最优码率自适应方法与装置。

背景技术

信息安全是信息化时代的主题，密码技术为信息安全提供了保证，随着量子计算技术的发展，对现有基于计算复杂性假设的现有经典密码技术构成威胁，亟需发展新型密码技术。量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)基于量子力学原理可实现可证安全的实时、异地密钥协商，结合的“一次一密”可实现无条件安全的保密通信，是量子信息和保密通信领域的研究热点之一。其技术路线主要分为离散变量和连续变量。对于连续变量量子密钥分发(Continuous Variable Quantum Key Distribution，CV-QKD)系统，其光源和探测可使用成熟稳定的商用器件，且具有高码率和易集成等优势，是QKD技术的重要发展方向之一。CV-QKD系统的发送方发送的微弱量子信号经过长距离光纤传输后，信噪比非常低，导致发送方和接收方的原始数据误码率非常高，必须通过数据后处理(包括基比对、参数估计、数据协调和保密增强等步骤)才能获得一致的密钥。其中，数据后处理过程中的数据协调效率将极大影响CV-QKD系统整体性能，如何在不同传输条件下找到对系统性能最优化的协调效率，对于实现系统码率最优具有重要意义。

在CV-QKD系统中，为实现系统安全码率最大化，提高传输距离，不仅要研究数据协商算法和纠错性能接近香农极限的纠错码，还要完善的优化算法，搜索系统在当前状态下的数据协调最佳工作点。

影响安全码率的主要因素是协调效率，为实现长传输距离和高安全码率，要求系统具备高协调效率。制约协调效率的主要因素为协商算法选择、度分布函数性能以及校验矩阵的生成。协调效率表征的是从通信双方的互信息中提取信息的比例，通常用β表示：

0≤β≤1，β越接近1，即越接近香农极限，说明信息提取效率越高，协调性能越好，则系统传输距离越远，并且直接影响了安全码率的大小。

在实际计算过程中：

其中R表示所选取的纠错码的码率，C表示信道效率，SNR表示信噪比。

通过优化算法，目前学术界已经可以实现较高的协调效率。但是，误帧率(FrameError Rate，FER)也对安全码率有所制约。FER表示译码后通信双方得到一致密钥的块数与提取密钥总块数的比例，也就是译码块数的错误率。

FER不会影响系统能否获得安全码率，只会影响安全码率的大小。为了提高系统的实用性，增强系统的可靠性，应该尽量减少纠错失败概率。而随着协调效率的提高，FER也会随之提高，使得安全码率急剧下降，因而综合考虑协调效率和FER以选取最优工作点，对于获取最优安全码率至关重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于CV-QKD的最优码率自适应方法与装置，能够根据系统工作条件确定最优安全码率，充分发挥系统系能。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种适用于CV-QKD的最优码率自适应方法，包括以下步骤：根据预设码长和预设度分布函数生成校验矩阵，以及获取符合目标信噪比的待协调数据；在多个不同的预设信噪比下通过所述校验矩阵对所述待协调数据进行译码得到误帧率的函数曲线，并对所述函数曲线进行拟合得到拟合结果；根据所述拟合结果计算得到最优协调效率，并根据所述最优协调效率计算得到最优信噪比；在所述最优信噪比下选择标准信噪比参数对待协调数据进行自适应译码，以实现最优安全码率。

优选的，所述校验矩阵通过随机生成算法生成。

优选的，所述校验矩阵通过PEG算法生成。

优选的，所述待协调数据通过采集得到。

优选的，所述待协调数据通过仿真得到，仿真过程为：

将预先设置的过噪声ξ和电噪声V_ele代入公式

计算安全码率最大时的调制方差V_Amax；

产生高斯随机数z～N(0,σ_z)，其中，

产生高斯随机数x～N(0,V_A)，调节V_A的值使得V_A与V_Amax的绝对差值在预设范围内；

根据公式y＝tx+z计算得到高斯随机数y，将高斯随机数x和y作为待协调数据；

其中，t为透射率，且

T为信道透射率，

a为信道衰减系数，η为探测效率，L为信道传输距离，z为加性高斯白噪声。

优选的，所述根据所述拟合结果计算得到最优协调效率的步骤具体为：

将拟合结果代入安全码率公式，安全码率公式为：

KeyRate＝(1-FER)(βI_AB-χ_BE)；

对安全码率公式求一阶导数并求解极值，得到最优安全码率下的最优协调效率β_opt＝f(a,b,c,d,…)，并根据最优协调效率得到最优信噪比SNR_opt＝g(a,b,c,d,…,β_opt)；

其中，KeyRate表示安全码率，f(β)表示拟合结果，β表示协调效率，I_AB表示量子密钥分发发射端Alice和量子密钥分发探测端Bob的互信息，χ_BE表示量子密钥分发窃听端Eve与量子密钥分发探测端Bob之间的互信息，a，b，c，d…为常数。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种适用于CV-QKD的最优码率自适应装置，包括校验矩阵生成模块、拟合模块、码率优化模块和自适应译码模块；所述校验矩阵生成模块用于根据预设码长和预设度分布函数生成校验矩阵，以及获取符合目标信噪比的待协调数据；所述拟合模块用于在多个不同的预设信噪比下通过所述校验矩阵对所述待协调数据进行译码得到误帧率的函数曲线，并对所述函数曲线进行拟合得到拟合结果；所述码率优化模块用于根据所述拟合结果计算得到最优协调效率，并根据所述最优协调效率计算得到最优信噪比；所述自适应译码模块用于在所述最优信噪比下选择标准信噪比参数对待协调数据进行自适应译码，以实现最优安全码率。

优选的，所述校验矩阵通过随机生成算法生成。

优选的，所述校验矩阵通过PEG算法生成。

优选的，所述码率优化模块具体用于将拟合结果代入安全码率公式，对安全码率公式求一阶导数并求解极值，得到最优安全码率下的最优协调效率，并根据最优协调效率得到最优信噪比，安全码率公式为：

KeyRate＝(1-FER)(βI_AB-χ_BE)

最优协调效率表示为：β_opt＝f(a,b,c,d,…)

最优信噪比表示为：SNR_opt＝g(a,b,c,d,…,β_opt)

区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：本发明针对现有CV-QKD采用的基于MET-LDPC码的纠错方案遇到的迭代次数多，精度要求高，从而在有限硬件资源条件下译码速率受限的问题，提出进行分段迭代，不同的迭代轮数采用不同的精度的译码方案，从而在规定的轮数降低译码对精度的要求，从而能够在有限硬件资源下提高译码速度。

附图说明

图1是本发明实施例的适用于CV-QKD的最优码率自适应方法的流程图；

图2是本发明得到的误帧率的函数曲线的示意图；

图3是本发明得到的拟合结果的示意图；

图4是本发明与现有技术的安全码率的对比示意图；

图5是本发明实施例的适用于CV-QKD的最优码率自适应装置的原理框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1，本发明实施例的适用于CV-QKD的最优码率自适应方法包括以下步骤：

S1：根据预设码长和预设度分布函数生成校验矩阵，以及获取符合目标信噪比的待协调数据。

度分布函数可表示为：

v(r,x)＝∑v_b,dr^bx^d

u(x)＝∑u_dx^d

其中，v(r,x)表示变量节点度分布函数，u(x)表示校验节点度分布函数，r^b表示变量所对应的接收分布(也就是实际信道)，b表示不同的信道的种数，x^d表示变量点，第几类边表示为x₁，x₂，x₃……，如第一类边度为2则表示为x₁ ²，d表示对应节点连接的边数(d为整数)，v_b,d、u_d为非负实数，分别表示变量节点、校验节点与码长个数的比值。目标信噪比可以用SNR_tar表示。

待协调数据可以通过仿真得到，也可以通过采集得到，例如通过CV-QKD系统实时采集得到。

如果待协调数据通过仿真得到，则仿真过程为：

将预先设置的过噪声ξ和电噪声V_ele代入公式

计算安全码率最大时的调制方差V_Amax；

产生高斯随机数z～N(0,σ_z)，其中，

其中，t为透射率，且

T为信道透射率，

该仿真过程采用GG02协议，如果采用其他离散调制CV-QKD协议，例如四态调制协议，则将相应的公式替换公式

即可。

S2：在多个不同的预设信噪比下通过校验矩阵对待协调数据进行译码得到误帧率的函数曲线，并对函数曲线进行拟合得到拟合结果。

其中，误帧率的拟合结果可以表示为FER＝f(β)。

S3：根据拟合结果计算得到最优协调效率，并根据最优协调效率计算得到最优信噪比。

其中，根据拟合结果计算得到最优协调效率的步骤具体为：

将拟合结果代入安全码率公式，安全码率公式为：

KeyRate＝(1-FER)(βI_AB-χ_BE)；

拟合结果代入后，安全码率公式变为：

KeyRate＝(1-f(β))(βI_AB-χ_BE)

S4：在最优信噪比下选择标准信噪比参数对待协调数据进行自适应译码，以实现最优安全码率。

下面结合具体实例对本发明的最优码率自适应方法进行详细说明。在该具体实例中，预设度分布函数的码率为0.1，目标信噪比SNR_tar＝0.149～0.17，校验矩阵通过PEG(Progressive Edge-Growth)算法生成，光纤信道传输距离为50km。

度分布函数为：

待协调数据通过仿真得到，公式y＝tx+z中，

T＝0.1，η＝0.606。过噪声ξ＝0.01，电噪声V_ele＝0.041。

待协调数据得到后，在多个不同的预设信噪比下得到的误帧率的函数曲线如图2所示。通过采用不同的拟合函数，可以得到不同的拟合结果，以arctan拟合函数为例，如图3所示，可以得到拟合结果如下：

FER＝f(β)＝aarctan(bβ+c)+d

在无限码长的情况下，安全码率公式为：

KeyRate＝(1-FER)(βI_AB-χ_BE)

将拟合结构带入安全码率公式得到：

KeyRate＝h(β)＝(1-aarctan(bβ+c)-d)(βI_AB-χ_BE)

对安全码率公式求一阶导数并求解极值，即可得到最优安全码率下的最优协调效率β_opt，再根据最优协调效率β_opt计算得到最优信噪比SNR_opt。其中，求一阶导数的过程为：

得到的最优协调效率β_opt为：

β_opt＝f(a,b,c,d,…)

得到的最优信噪比SNR_opt为：

SNR_opt＝g(a,b,c,d,…,β_opt)。

最后进行自适应译码，以实现最优安全码率。如图4所示，图中，曲线1为不采用自适应方法的译码结果，曲线2为采用现有自适应方法的译码结果，现有自适应方法选择标准信噪比参数＝0.165，曲线3为采用本实施例的最优码率自适应方法的译码结果，本实施例的最优码率自适应方法选择标准信噪比参数＝0.16，通过图4可以看出，曲线3得到的安全码率更高。

通过上述方式，本发明的适用于CV-QKD的最优码率自适应方法可以针对度分布函数寻找最优安全码率并寻找最优自适应译码信噪比，实现码率最优，从而能够根据系统工作条件确定最优安全码率，充分发挥系统系能。

如图5所示，本发明还保护一种适用于CV-QKD的最优码率自适应装置，最优码率自适应装置包括校验矩阵生成模块10、拟合模块20、码率优化模块30和自适应译码模块40。

校验矩阵生成模块10用于根据预设码长和预设度分布函数生成校验矩阵，以及获取符合目标信噪比的待协调数据。其中，校验矩阵通过随机生成算法生成或者通过PEG算法生成。

拟合模块20用于在多个不同的预设信噪比下通过校验矩阵对待协调数据进行译码得到误帧率的函数曲线，并对函数曲线进行拟合得到拟合结果。

码率优化模块30用于根据拟合结果计算得到最优协调效率，并根据最优协调效率计算得到最优信噪比。在本实施例中，码率优化模块30具体用于将拟合结果代入安全码率公式，对安全码率公式求一阶导数并求解极值，得到最优安全码率下的最优协调效率，并根据最优协调效率得到最优信噪比，安全码率公式为：

KeyRate＝(1-FER)(βI_AB-χ_BE)

最优协调效率表示为：β_opt＝f(a,b,c,d,…)

最优信噪比表示为：SNR_opt＝g(a,b,c,d,…,β_opt)

其中，KeyRate表示安全码率，f(β)表示拟合结果，β表示协调效率，I_AB表示量子密钥分发发射端Alice和量子密钥分发探测端Bob的互信息，χ_BE表示量子密钥分发窃听端Eve与量子密钥分发探测端Bob之间的互信息，a，b，c，d…为常数

自适应译码模块40用于在最优信噪比下选择标准信噪比参数对待协调数据进行自适应译码，以实现最优安全码率。

本实施例的最优码率自适应装置具有与前述实施例的最优码率自适应方法相同的技术特征，在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种适用于CV-QKD的最优码率自适应方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据预设码长和预设度分布函数生成校验矩阵，以及获取符合目标信噪比的待协调数据；

在多个不同的预设信噪比下通过所述校验矩阵对所述待协调数据进行译码得到误帧率的函数曲线，并对所述函数曲线进行拟合得到拟合结果；

根据所述拟合结果计算得到最优协调效率，并根据所述最优协调效率计算得到最优信噪比；

所述根据所述拟合结果计算得到最优协调效率的步骤具体为：

将拟合结果代入安全码率公式，安全码率公式为：

KeyRate＝(1-FER)(βI_AB-χ_BE)；

拟合结果代入后，安全码率公式变为：

KeyRate＝(1-f(β))(βI_AB-χ_BE)

其中，KeyRate表示安全码率，f(β)表示拟合结果，β表示协调效率，I_AB表示量子密钥分发发射端Alice和量子密钥分发探测端Bob的互信息，χ_BE表示量子密钥分发窃听端Eve与量子密钥分发探测端Bob之间的互信息，a，b，c，d…为常数；

在所述最优信噪比下选择标准信噪比参数对待协调数据进行自适应译码，以实现最优安全码率。

2.根据权利要求1所述的最优码率自适应方法，其特征在于，所述校验矩阵通过随机生成算法生成。

3.根据权利要求1所述的最优码率自适应方法，其特征在于，所述校验矩阵通过PEG算法生成。

4.根据权利要求1所述的最优码率自适应方法，其特征在于，所述待协调数据通过采集得到。

5.根据权利要求1所述的最优码率自适应方法，其特征在于，所述待协调数据通过仿真得到，仿真过程为：

将预先设置的过噪声ξ和电噪声V_ele代入公式

计算安全码率最大时的调制方差V_Amax；

产生高斯随机数z～N(0,σ_z)，其中，

其中，t为透射率，且

T为信道透射率，

6.一种适用于CV-QKD的最优码率自适应装置，其特征在于，包括校验矩阵生成模块、拟合模块、码率优化模块和自适应译码模块；

所述校验矩阵生成模块用于根据预设码长和预设度分布函数生成校验矩阵，以及获取符合目标信噪比的待协调数据；

所述拟合模块用于在多个不同的预设信噪比下通过所述校验矩阵对所述待协调数据进行译码得到误帧率的函数曲线，并对所述函数曲线进行拟合得到拟合结果；

所述码率优化模块用于根据所述拟合结果计算得到最优协调效率，并根据所述最优协调效率计算得到最优信噪比；

所述码率优化模块具体用于将拟合结果代入安全码率公式，对安全码率公式求一阶导数并求解极值，得到最优安全码率下的最优协调效率，并根据最优协调效率得到最优信噪比，安全码率公式为：

KeyRate＝(1-FER)(βI_AB-χ_BE)

拟合结果代入后，安全码率公式变为：

KeyRate＝(1-f(β))(βI_AB-χ_BE)

最优协调效率表示为：β_opt＝f(a,b,c,d,…)

最优信噪比表示为：SNR_opt＝g(a,b,c,d,…,β_opt)

所述自适应译码模块用于在所述最优信噪比下选择标准信噪比参数对待协调数据进行自适应译码，以实现最优安全码率。

7.根据权利要求6所述的最优码率自适应装置，其特征在于，所述校验矩阵通过随机生成算法生成。

8.根据权利要求6所述的最优码率自适应装置，其特征在于，所述校验矩阵通过PEG算法生成。