CN114285569A - 基于随机分组矢量量化的大气光信道共享密钥提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于随机分组矢量量化的大气光信道共享密钥提取方法。在本发明方法中，激光收发端机A随机地把各个接收光信号强度测量采样值矢量归入一个分组并计算每个接收光信号强度测量采样值矢量相对该分组的参考中心矢量的平移矢量，激光收发端机B根据激光收发端机A发来的平移矢量对每个接收光信号强度测量采样值矢量进行平移，找出与平移后的接收光信号强度测量采样值矢量距离最近的分组参考中心矢量，并把接收光信号强度测量采样值矢量归入该分组。对接收光信号强度测量采样值矢量的量化结果就是其所属的分组的编号。本方法能提高在单位时间内从大气光信道中提取的随机比特数目，同时还能确保提取的随机比特序列的自相关为零。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于随机分组矢量量化的大气光信道共享密钥提取方法，属于信息安全技术领域。
背景技术
当前，学术界和工业界对物理层信息安全技术产生了浓厚的兴趣。从大气光信道中提取被信道两端共享的随机密钥并用其对传输的数据进行加密，进而保护数据传输的安全性，就属于物理层信息安全范畴。申请号为201811370939.1的一件中国发明专利申请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，该方法可以用来从大气光信道中提取共享密钥。在大气光信道共享密钥提取中，首先需要在信道两端测量从对方发送来的光信号在不同时刻的强度，得到一系列接收光信号强度测量采样值，然后利用量化操作将得到的测量采样值转换成二进制比特序列。尽管密钥提取中的量化与传统模数转换器的量化在概念上存在相似性，但二者追求的目标不同。传统模数转换器的量化追求最小的量化误差，但密钥提取中的量化追求更低的不一致比特率、更多的量化比特数和更高的量化序列随机性。这里的“不一致比特率”是指，信道两端通过量化操作提取的两个比特序列的不一致比特数占全部比特数的比例。
发表在《信息安全与通信保密》2011年6期98～101页的论文介绍了一种对单个接收光信号强度测量采样值进行量化的双阈值方案。这种对单个接收光信号强度测量采样值进行独立量化的方法也被称为标量量化。如果使用标量量化方法，为了尽可能地提高量化序列随机性，要求连续的接收光信号强度测量采样值之间统计独立。这就需要使测量采样时间间隔足够大。在基于标量量化的大气光信道共享密钥提取中，为了获得统计自相关为零的随机比特序列，要求测量采样时间间隔大于大气湍流光信号衰落自相关时间长度。这一要求限制了在单位时间内能从大气光信道中提取的随机比特数目。如果想提高单位时间内从大气光信道中提取的随机比特数目，则需要减小测量采样时间间隔，以便充分利用不同时刻的接收光信号强度测量采样值的新增随机信息；但这又导致无法满足前述对随机比特序列的零统计自相关要求。解决这一困难的方法之一是使用矢量量化方法。发表在《IEEETransactions on Information Forensics and Security》2017年12卷5期1170～1181页的论文介绍了一种基于矢量量化的密钥提取方法，但是该论文的方法在构造矢量量化器时的计算量非常大，实现起来很复杂。
在实际大气光信道中，可以使用如图1所示的采样时刻矢量来获得接收光信号强度测量采样值矢量。在图1中，每个竖直箭头代表时间轴上的一个采样时刻，在每个采样时刻都对接收光信号强度测量结果进行一次采样，得到一个接收光信号强度测量采样值。如果每个采样时刻矢量包括Ns个等间隔分布的采样时刻，则每个采样时刻矢量都对应了Ns个接收光信号强度测量采样值，它们构成一个接收光信号强度测量采样值矢量。在图1中，δs表示采样时刻矢量的两个相邻采样时刻的时间间隔，δv表示第i个采样时刻矢量的最后一个采样时刻和第i+1个采样时刻矢量的第一个采样时刻之间的时间间隔，其中i＝1,2,…,Nv，Nv表示采样时刻矢量的总个数。为了提高在单位时间内从大气光信道中提取的随机比特数目，可以令δs小于大气湍流光信号衰落自相关时间长度。另外，为了使各个接收光信号强度测量采样值矢量之间统计无关，需要使δv大于大气湍流光信号衰落自相关时间长度。在大气光信道两端按图1所示的采样模式分别对各自的接收光信号强度进行测量和采样，可以分别得到Nv个接收光信号强度测量采样值矢量，再利用矢量量化操作把各个接收光信号强度测量采样值矢量转换成一个比特子序列，并把所有比特子序列拼接在一起得到原始共享随机比特序列。
本发明方法公开一种基于随机分组矢量量化的大气光信道共享密钥提取方法。图2为对激光收发端机A的接收光信号强度测量采样值矢量进行随机分组并计算每个接收光信号强度测量采样值矢量的平移矢量的示意图。在图2中，把激光收发端机A的接收光信号强度测量采样值矢量分成4个分组，圆、三角形、正方形、五边形符号各自代表一个分组，实心的圆、三角形、正方形、五边形代表激光收发端机A的接收光信号强度测量采样值矢量，空心的圆、三角形、正方形、五边形代表各个分组的参考中心矢量，从实心符号指向空心符号的箭头代表平移矢量。图3为激光收发端机B根据激光收发端机A发来的平移矢量对自己的接收光信号强度测量采样值矢量进行平移后的示意图，平移的结果是使激光收发端机B的接收光信号强度测量采样值矢量靠近各个分组的参考中心矢量。本发明方法的关键是，激光收发端机A随机地把各个接收光信号强度测量采样值矢量归入一个分组并计算每个接收光信号强度测量采样值矢量相对该分组的参考中心矢量的平移矢量，激光收发端机B根据激光收发端机A发来的平移矢量对每个接收光信号强度测量采样值矢量进行平移，找出与平移后的接收光信号强度测量采样值矢量距离最近的分组参考中心矢量，并把接收光信号强度测量采样值矢量归入该分组。接收光信号强度测量采样值矢量所属的分组的编号的二进制表达形式就是相应的量化结果。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于随机分组矢量量化的大气光信道共享密钥提取方法，本方法能提高在单位时间内从大气光信道中提取的随机比特数目，同时还能确保提取的随机比特序列的自相关为零。
本方法的技术方案是这样实现的：基于随机分组矢量量化的大气光信道共享密钥提取方法，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。如图4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)本方法的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)本方法的第二部分在激光收发端机A中执行以下操作：
步骤Step201：在计算机A的采集程序中创建一个计数器CounterA，令CounterA＝1；令时刻tA＝0；在计算机A的存储器中创建一个包含Num个元素的一维数组ArrayA，数组ArrayA的元素用于存储接收光信号强度测量采样值矢量；
步骤Step202：针对第CounterA个采样时刻矢量，其采样时刻依次是时刻tA、时刻tA+δs、…、时刻tA+(Ns-1)δs，即第CounterA个采样时刻矢量的第i个采样时刻是时刻tA+(i-1)δs，其中i＝1,2,…,Ns，计算机A的采集程序依次在时刻tA、时刻tA+δs、…、时刻tA+(Ns-1)δs对探测器A输出的电信号幅度做一次采样，总共获得Ns个采样值C001，它们构成与第CounterA个采样时刻矢量相对应的接收光信号强度测量采样值矢量，该接收光信号强度测量采样值矢量的第i个分量对应在时刻tA+(i-1)δs对探测器A输出的电信号幅度做采样得到的采样值C001；把数组ArrayA的第CounterA个元素赋值为与第CounterA个采样时刻矢量相对应的接收光信号强度测量采样值矢量的值；
步骤Step203：令CounterA＝CounterA+1；令tA＝tA+(Ns-1)δs+δv；
步骤Step204：如果CounterA>Num，则转步骤Step205，否则转步骤Step202；
步骤Step205：激光收发端机A完成接收光信号强度测量采样值矢量序列的采集。
3)本方法的第三部分在激光收发端机B中执行以下操作：
步骤Step301：在计算机B的采集程序中创建一个计数器CounterB，令CounterB＝1；令时刻tB＝0；在计算机B的存储器中创建一个包含Num个元素的一维数组ArrayB，数组ArrayB的元素用于存储接收光信号强度测量采样值矢量；
步骤Step302：针对第CounterB个采样时刻矢量，其采样时刻依次是时刻tB、时刻tB+δs、…、时刻tB+(Ns-1)δs，即第CounterB个采样时刻矢量的第i个采样时刻是时刻tB+(i-1)δs，其中i＝1,2,…,Ns，计算机B的采集程序依次在时刻tB、时刻tB+δs、…、时刻tB+(Ns-1)δs对探测器B输出的电信号幅度做一次采样，总共获得Ns个采样值D001，它们构成与第CounterB个采样时刻矢量相对应的接收光信号强度测量采样值矢量，该接收光信号强度测量采样值矢量的第i个分量对应在时刻tB+(i-1)δs对探测器B输出的电信号幅度做采样得到的采样值D001；把数组ArrayB的第CounterB个元素赋值为与第CounterB个采样时刻矢量相对应的接收光信号强度测量采样值矢量的值；
步骤Step303：令CounterB＝CounterB+1；令tB＝tB+(Ns-1)δs+δv；
步骤Step304：如果CounterB>Num，则转步骤Step305，否则转步骤Step302；
步骤Step305：激光收发端机B完成接收光信号强度测量采样值矢量序列的采集。
4)本方法的第四部分在激光收发端机A中，为数组ArrayA的每个元素标记一个分组编号，并根据分组编号得到对应的量化结果，进而得到原始共享随机比特序列，具体步骤如下：
步骤Step401：数组ArrayA的所有元素都没有标记分组编号；在计算机A的存储器中创建一个列表ListA，列表ListA的元素用于存储随机比特，令列表ListA为空；依次针对分组编号n＝0,1,…,Ng-1，其中Ng表示分组个数，做如下操作：
从数组ArrayA的所有还没有标记分组编号的元素中随机挑选出Num/Ng个元素，把这Num/Ng个被挑选出的数组ArrayA的元素的分组编号标记为n；
步骤Step402：依次针对j＝1,2,…,Num，做如下子步骤操作：
步骤Step402-1：令VAj表示数组ArrayA的第j个元素存储的接收光信号强度测量采样值矢量；令ng表示数组ArrayA的第j个元素的分组编号；计算平移矢量
其中
表示为第ng+1个分组指定的参考中心矢量，参考中心矢量与接收光信号强度测量采样值矢量的分量个数相同；平移矢量TAj称为数组ArrayA的第j个元素对应的平移矢量；通过通信链路把平移矢量TAj发给激光收发端机B；
步骤Step402-2：把ng表示成包含log2(Ng)个位的二进制数形式，以得到一个包含log2(Ng)个比特的比特子序列LBITA；在列表ListA的末尾新添加log2(Ng)个元素，把在列表ListA的末尾新添加的第I个元素赋值为比特子序列LBITA的第I个比特的值，其中I＝1,2,…,log2(Ng)；
步骤Step403：激光收发端机A完成原始共享随机比特序列提取操作。
5)本方法的第五部分在激光收发端机B中，为数组ArrayB的每个元素计算一个分组编号，并根据分组编号得到对应的量化结果，进而得到原始共享随机比特序列，具体步骤如下：
步骤Step501：数组ArrayB的所有元素都没有标记分组编号；在计算机B的存储器中创建一个列表ListB，列表ListB的元素用于存储随机比特，令列表ListB为空；
步骤Step502：依次针对j＝1,2,…,Num，做如下子步骤操作：
步骤Step502-1：接收从激光收发端机A发来的数组ArrayA的第j个元素对应的平移矢量，该平移矢量等于步骤Step402-1中的平移矢量TAj；
步骤Step502-2：计算
其中VBj表示数组ArrayB的第j个元素存储的接收光信号强度测量采样值矢量，Rn表示为第n+1个分组指定的参考中心矢量，n＝0,1,…,Ng-1，||·||表示求矢量的长度；
步骤Step502-3：把m表示成包含log2(Ng)个位的二进制数形式，以得到一个包含log2(Ng)个比特的比特子序列LBITB；在列表ListB的末尾新添加log2(Ng)个元素，把在列表ListB的末尾新添加的第I个元素赋值为比特子序列LBITB的第I个比特的值，其中I＝1,2,…,log2(Ng)；
步骤Step503：激光收发端机B完成原始共享随机比特序列提取操作。
6)本方法的第六部分对激光收发端机A和激光收发端机B提取的原始共享随机比特序列中的不一致比特进行纠错，具体步骤如下：
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列表ListA和列表ListB中存储的原始共享随机比特序列中的不一致比特，使列表ListA和列表ListB中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，接着同时开始执行本方法的第二部分和第三部分，然后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。
本方法的Ns表示一个采样时刻矢量包含的采样时刻个数，δs表示采样时刻矢量的两个相邻采样时刻的时间间隔，δv表示第i个采样时刻矢量的最后一个采样时刻和第i+1个采样时刻矢量的第一个采样时刻之间的时间间隔，其中i＝1,2,…,Nv，Nv表示采样时刻矢量的总个数；Nv＝Num；Num是Ng的整数倍；log2(Ng)的值为正整数。
本发明的积极效果是：本发明方法在步骤Step401中对接收光信号强度测量采样值矢量进行随机分组，并根据分组编号来生成接收光信号强度测量采样值矢量对应的量化结果；在步骤Step502中，激光收发端机B根据激光收发端机A发来的平移矢量对数组ArrayB中存储的接收光信号强度测量采样值矢量进行平移，并计算平移后的矢量到哪个分组的参考中心矢量的欧氏距离最近，并把相应的分组编号作为平移后的矢量的分组编号，进而根据分组编号得到量化结果。本方法的平移矢量的作用是，在激光收发端机B中把属于同一个分组的接收光信号强度测量采样值矢量平移到靠近对应的参考中心矢量的位置。本方法能提高在单位时间内从大气光信道中提取的随机比特数目，同时还能确保提取的随机比特序列的自相关为0；另外，本方法的各个分组的参考中心矢量无需在量化操作过程中计算，降低了密钥提取计算复杂度。
附图说明
图1为采样时刻矢量示意图。
图2为对激光收发端机A的接收光信号强度测量采样值矢量进行随机分组并计算每个接收光信号强度测量采样值矢量的平移矢量的示意图。
图3为激光收发端机B根据激光收发端机A发来的平移矢量对自己的接收光信号强度测量采样值矢量进行平移后的示意图。
图4为收发端机A和收发端机B的光信号发射与接收示意图。
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。发明内容的步骤Step402-1中的通信链路使用互联网实现。
本方法的技术方案是这样实现的：基于随机分组矢量量化的大气光信道共享密钥提取方法，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。如图4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)本方法的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)本方法的第二部分在激光收发端机A中执行以下操作：
步骤Step201：在计算机A的采集程序中创建一个计数器CounterA，令CounterA＝1；令时刻tA＝0；在计算机A的存储器中创建一个包含Num个元素的一维数组ArrayA，数组ArrayA的元素用于存储接收光信号强度测量采样值矢量；
步骤Step202：针对第CounterA个采样时刻矢量，其采样时刻依次是时刻tA、时刻tA+δs、…、时刻tA+(Ns-1)δs，即第CounterA个采样时刻矢量的第i个采样时刻是时刻tA+(i-1)δs，其中i＝1,2,…,Ns，计算机A的采集程序依次在时刻tA、时刻tA+δs、…、时刻tA+(Ns-1)δs对探测器A输出的电信号幅度做一次采样，总共获得Ns个采样值C001，它们构成与第CounterA个采样时刻矢量相对应的接收光信号强度测量采样值矢量，该接收光信号强度测量采样值矢量的第i个分量对应在时刻tA+(i-1)δs对探测器A输出的电信号幅度做采样得到的采样值C001；把数组ArrayA的第CounterA个元素赋值为与第CounterA个采样时刻矢量相对应的接收光信号强度测量采样值矢量的值；
步骤Step203：令CounterA＝CounterA+1；令tA＝tA+(Ns-1)δs+δv；
步骤Step204：如果CounterA>Num，则转步骤Step205，否则转步骤Step202；
步骤Step205：激光收发端机A完成接收光信号强度测量采样值矢量序列的采集。
3)本方法的第三部分在激光收发端机B中执行以下操作：
步骤Step301：在计算机B的采集程序中创建一个计数器CounterB，令CounterB＝1；令时刻tB＝0；在计算机B的存储器中创建一个包含Num个元素的一维数组ArrayB，数组ArrayB的元素用于存储接收光信号强度测量采样值矢量；
步骤Step302：针对第CounterB个采样时刻矢量，其采样时刻依次是时刻tB、时刻tB+δs、…、时刻tB+(Ns-1)δs，即第CounterB个采样时刻矢量的第i个采样时刻是时刻tB+(i-1)δs，其中i＝1,2,…,Ns，计算机B的采集程序依次在时刻tB、时刻tB+δs、…、时刻tB+(Ns-1)δs对探测器B输出的电信号幅度做一次采样，总共获得Ns个采样值D001，它们构成与第CounterB个采样时刻矢量相对应的接收光信号强度测量采样值矢量，该接收光信号强度测量采样值矢量的第i个分量对应在时刻tB+(i-1)δs对探测器B输出的电信号幅度做采样得到的采样值D001；把数组ArrayB的第CounterB个元素赋值为与第CounterB个采样时刻矢量相对应的接收光信号强度测量采样值矢量的值；
步骤Step303：令CounterB＝CounterB+1；令tB＝tB+(Ns-1)δs+δv；
步骤Step304：如果CounterB>Num，则转步骤Step305，否则转步骤Step302；
步骤Step305：激光收发端机B完成接收光信号强度测量采样值矢量序列的采集。
4)本方法的第四部分在激光收发端机A中，为数组ArrayA的每个元素标记一个分组编号，并根据分组编号得到对应的量化结果，进而得到原始共享随机比特序列，具体步骤如下：
步骤Step401：数组ArrayA的所有元素都没有标记分组编号；在计算机A的存储器中创建一个列表ListA，列表ListA的元素用于存储随机比特，令列表ListA为空；依次针对分组编号n＝0,1,…,Ng-1，其中Ng表示分组个数，做如下操作：
从数组ArrayA的所有还没有标记分组编号的元素中随机挑选出Num/Ng个元素，把这Num/Ng个被挑选出的数组ArrayA的元素的分组编号标记为n；
步骤Step402：依次针对j＝1,2,…,Num，做如下子步骤操作：
步骤Step402-1：令VAj表示数组ArrayA的第j个元素存储的接收光信号强度测量采样值矢量；令ng表示数组ArrayA的第j个元素的分组编号；计算平移矢量
其中
表示为第ng+1个分组指定的参考中心矢量，参考中心矢量与接收光信号强度测量采样值矢量的分量个数相同；平移矢量TAj称为数组ArrayA的第j个元素对应的平移矢量；通过通信链路把平移矢量TAj发给激光收发端机B；
步骤Step402-2：把ng表示成包含log2(Ng)个位的二进制数形式，以得到一个包含log2(Ng)个比特的比特子序列LBITA；在列表ListA的末尾新添加log2(Ng)个元素，把在列表ListA的末尾新添加的第I个元素赋值为比特子序列LBITA的第I个比特的值，其中I＝1,2,…,log2(Ng)；
步骤Step403：激光收发端机A完成原始共享随机比特序列提取操作。
5)本方法的第五部分在激光收发端机B中，为数组ArrayB的每个元素计算一个分组编号，并根据分组编号得到对应的量化结果，进而得到原始共享随机比特序列，具体步骤如下：
步骤Step501：数组ArrayB的所有元素都没有标记分组编号；在计算机B的存储器中创建一个列表ListB，列表ListB的元素用于存储随机比特，令列表ListB为空；
步骤Step502：依次针对j＝1,2,…,Num，做如下子步骤操作：
步骤Step502-1：接收从激光收发端机A发来的数组ArrayA的第j个元素对应的平移矢量，该平移矢量等于步骤Step402-1中的平移矢量TAj；
步骤Step502-2：计算
其中VBj表示数组ArrayB的第j个元素存储的接收光信号强度测量采样值矢量，Rn表示为第n+1个分组指定的参考中心矢量，n＝0,1,…,Ng-1，||·||表示求矢量的长度；
步骤Step502-3：把m表示成包含log2(Ng)个位的二进制数形式，以得到一个包含log2(Ng)个比特的比特子序列LBITB；在列表ListB的末尾新添加log2(Ng)个元素，把在列表ListB的末尾新添加的第I个元素赋值为比特子序列LBITB的第I个比特的值，其中I＝1,2,…,log2(Ng)；
步骤Step503：激光收发端机B完成原始共享随机比特序列提取操作。
6)本方法的第六部分对激光收发端机A和激光收发端机B提取的原始共享随机比特序列中的不一致比特进行纠错，具体步骤如下：
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列表ListA和列表ListB中存储的原始共享随机比特序列中的不一致比特，使列表ListA和列表ListB中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，接着同时开始执行本方法的第二部分和第三部分，然后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。
本方法的Ns表示一个采样时刻矢量包含的采样时刻个数，δs表示采样时刻矢量的两个相邻采样时刻的时间间隔，δv表示第i个采样时刻矢量的最后一个采样时刻和第i+1个采样时刻矢量的第一个采样时刻之间的时间间隔，其中i＝1,2,…,Nv，Nv表示采样时刻矢量的总个数；Nv＝Num；Num是Ng的整数倍；log2(Ng)的值为正整数。
在本实施例中，Ns＝5，Ng＝32，Num＝320000；δs为大气湍流光信号衰落自相关时间长度的1/5，δv为大气湍流光信号衰落自相关时间长度的1.2倍。接收光信号强度测量采样值矢量为列矢量。分组编号从0开始编号，第1个分组的分组编号为0，其他分组的分组编号依次类推。在步骤Step402-2中，如果ng＝2，其对应的包含5个位的二进制数为“00010”，则比特子序列LBITA为“00010”，如果ng＝3，其对应的包含5个位的二进制数为“00011”，则比特子序列LBITA为“00011”。在步骤Step502-3中，比特子序列LBITB的生成方式与步骤Step402-2的比特子序列LBITA的生成方式类似。步骤Step402-1、步骤Step402-2是步骤Step402的子步骤。步骤Step502-1、步骤Step502-2、步骤Step502-3是步骤Step502的子步骤。
在步骤Step401中，当n＝Ng-1时，实际上数组ArrayA的所有还没有标记分组编号的元素的个数等于Num/Ng，这时的随机挑选出Num/Ng个元素实际上等效于把数组ArrayA的所有还没有标记分组编号的元素都挑选出来。在本实施例中，第1个至第32个分组的参考中心矢量分别指定为如下值：
R0＝[0.5a,0.5a,0.5a,0.5a,0.5a]T
R1＝[0.5a,0.5a,0.5a,0.5a,1.5a]T
R2＝[0.5a,0.5a,0.5a,1.5a,0.5a]T
R3＝[0.5a,0.5a,0.5a,1.5a,1.5a]T
R4＝[0.5a,0.5a,1.5a,0.5a,0.5a]T
R5＝[0.5a,0.5a,1.5a,0.5a,1.5a]T
R6＝[0.5a,0.5a,1.5a,1.5a,0.5a]T
R7＝[0.5a,0.5a,1.5a,1.5a,1.5a]T
R8＝[0.5a,1.5a,0.5a,0.5a,0.5a]T
R9＝[0.5a,1.5a,0.5a,0.5a,1.5a]T
R10＝[0.5a,1.5a,0.5a,1.5a,0.5a]T
R11＝[0.5a,1.5a,0.5a,1.5a,1.5a]T
R12＝[0.5a,1.5a,1.5a,0.5a,0.5a]T
R13＝[0.5a,1.5a,1.5a,0.5a,1.5a]T
R14＝[0.5a,1.5a,1.5a,1.5a,0.5a]T
R15＝[0.5a,1.5a,1.5a,1.5a,1.5a]T
R16＝[1.5a,0.5a,0.5a,0.5a,0.5a]T
R17＝[1.5a,0.5a,0.5a,0.5a,1.5a]T
R18＝[1.5a,0.5a,0.5a,1.5a,0.5a]T
R19＝[1.5a,0.5a,0.5a,1.5a,1.5a]T
R20＝[1.5a,0.5a,1.5a,0.5a,0.5a]T
R21＝[1.5a,0.5a,1.5a,0.5a,1.5a]T
R22＝[1.5a,0.5a,1.5a,1.5a,0.5a]T
R23＝[1.5a,0.5a,1.5a,1.5a,1.5a]T
R24＝[1.5a,1.5a,0.5a,0.5a,0.5a]T
R25＝[1.5a,1.5a,0.5a,0.5a,1.5a]T
R26＝[1.5a,1.5a,0.5a,1.5a,0.5a]T
R27＝[1.5a,1.5a,0.5a,1.5a,1.5a]T
R28＝[1.5a,1.5a,1.5a,0.5a,0.5a]T
R29＝[1.5a,1.5a,1.5a,0.5a,1.5a]T
R30＝[1.5a,1.5a,1.5a,1.5a,0.5a]T
R31＝[1.5a,1.5a,1.5a,1.5a,1.5a]T
其中a表示激光收发端机A获得的所有接收光信号强度测量采样值的平均值，上标“T”表示转置。在执行完本方法的第二部分和第三部分后，在激光收发端机A中，计算数组ArrayA中的所有元素存储的接收光信号强度测量采样值矢量的所有分量的累加和SSA，则a等于SSA/(Num×Ns)。在执行本方法的第四部分和第五部分之前，激光收发端机A通过通信链路把计算出的a的值发送给激光收发端机B。因此，对于第1个至第32个分组，激光收发端机B使用和激光收发端机A相同的参考中心矢量值。
Claims (1)
1.一种基于随机分组矢量量化的大气光信道共享密钥提取方法，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)本方法的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)本方法的第二部分在激光收发端机A中执行以下操作：
步骤Step201：在计算机A的采集程序中创建一个计数器CounterA，令CounterA＝1；令时刻tA＝0；在计算机A的存储器中创建一个包含Num个元素的一维数组ArrayA，数组ArrayA的元素用于存储接收光信号强度测量采样值矢量；
步骤Step202：针对第CounterA个采样时刻矢量，其采样时刻依次是时刻tA、时刻tA+δs、…、时刻tA+(Ns-1)δs，即第CounterA个采样时刻矢量的第i个采样时刻是时刻tA+(i-1)δs，其中i＝1,2,…,Ns，计算机A的采集程序依次在时刻tA、时刻tA+δs、…、时刻tA+(Ns-1)δs对探测器A输出的电信号幅度做一次采样，总共获得Ns个采样值C001，它们构成与第CounterA个采样时刻矢量相对应的接收光信号强度测量采样值矢量，该接收光信号强度测量采样值矢量的第i个分量对应在时刻tA+(i-1)δs对探测器A输出的电信号幅度做采样得到的采样值C001；把数组ArrayA的第CounterA个元素赋值为与第CounterA个采样时刻矢量相对应的接收光信号强度测量采样值矢量的值；
步骤Step203：令CounterA＝CounterA+1；令tA＝tA+(Ns-1)δs+δv；
步骤Step204：如果CounterA>Num，则转步骤Step205，否则转步骤Step202；
步骤Step205：激光收发端机A完成接收光信号强度测量采样值矢量序列的采集；
3)本方法的第三部分在激光收发端机B中执行以下操作：
步骤Step301：在计算机B的采集程序中创建一个计数器CounterB，令CounterB＝1；令时刻tB＝0；在计算机B的存储器中创建一个包含Num个元素的一维数组ArrayB，数组ArrayB的元素用于存储接收光信号强度测量采样值矢量；
步骤Step302：针对第CounterB个采样时刻矢量，其采样时刻依次是时刻tB、时刻tB+δs、…、时刻tB+(Ns-1)δs，即第CounterB个采样时刻矢量的第i个采样时刻是时刻tB+(i-1)δs，其中i＝1,2,…,Ns，计算机B的采集程序依次在时刻tB、时刻tB+δs、…、时刻tB+(Ns-1)δs对探测器B输出的电信号幅度做一次采样，总共获得Ns个采样值D001，它们构成与第CounterB个采样时刻矢量相对应的接收光信号强度测量采样值矢量，该接收光信号强度测量采样值矢量的第i个分量对应在时刻tB+(i-1)δs对探测器B输出的电信号幅度做采样得到的采样值D001；把数组ArrayB的第CounterB个元素赋值为与第CounterB个采样时刻矢量相对应的接收光信号强度测量采样值矢量的值；
步骤Step303：令CounterB＝CounterB+1；令tB＝tB+(Ns-1)δs+δv；
步骤Step304：如果CounterB>Num，则转步骤Step305，否则转步骤Step302；
步骤Step305：激光收发端机B完成接收光信号强度测量采样值矢量序列的采集；
4)本方法的第四部分在激光收发端机A中，为数组ArrayA的每个元素标记一个分组编号，并根据分组编号得到对应的量化结果，进而得到原始共享随机比特序列，具体步骤如下：
步骤Step401：数组ArrayA的所有元素都没有标记分组编号；在计算机A的存储器中创建一个列表ListA，列表ListA的元素用于存储随机比特，令列表ListA为空；依次针对分组编号n＝0,1,…,Ng-1，其中Ng表示分组个数，做如下操作：
从数组ArrayA的所有还没有标记分组编号的元素中随机挑选出Num/Ng个元素，把这Num/Ng个被挑选出的数组ArrayA的元素的分组编号标记为n；
步骤Step402：依次针对j＝1,2,…,Num，做如下子步骤操作：
步骤Step402-1：令VAj表示数组ArrayA的第j个元素存储的接收光信号强度测量采样值矢量；令ng表示数组ArrayA的第j个元素的分组编号；计算平移矢量
其中
表示为第ng+1个分组指定的参考中心矢量，参考中心矢量与接收光信号强度测量采样值矢量的分量个数相同；平移矢量TAj称为数组ArrayA的第j个元素对应的平移矢量；通过通信链路把平移矢量TAj发给激光收发端机B；
步骤Step402-2：把ng表示成包含log2(Ng)个位的二进制数形式，以得到一个包含log2(Ng)个比特的比特子序列LBITA；在列表ListA的末尾新添加log2(Ng)个元素，把在列表ListA的末尾新添加的第I个元素赋值为比特子序列LBITA的第I个比特的值，其中I＝1,2,…,log2(Ng)；
步骤Step403：激光收发端机A完成原始共享随机比特序列提取操作；
5)本方法的第五部分在激光收发端机B中，为数组ArrayB的每个元素计算一个分组编号，并根据分组编号得到对应的量化结果，进而得到原始共享随机比特序列，具体步骤如下：
步骤Step501：数组ArrayB的所有元素都没有标记分组编号；在计算机B的存储器中创建一个列表ListB，列表ListB的元素用于存储随机比特，令列表ListB为空；
步骤Step502：依次针对j＝1,2,…,Num，做如下子步骤操作：
步骤Step502-1：接收从激光收发端机A发来的数组ArrayA的第j个元素对应的平移矢量，该平移矢量等于步骤Step402-1中的平移矢量TAj；
步骤Step502-2：计算
其中VBj表示数组ArrayB的第j个元素存储的接收光信号强度测量采样值矢量，Rn表示为第n+1个分组指定的参考中心矢量，n＝0,1,…,Ng-1，||·||表示求矢量的长度；
步骤Step502-3：把m表示成包含log2(Ng)个位的二进制数形式，以得到一个包含log2(Ng)个比特的比特子序列LBITB；在列表ListB的末尾新添加log2(Ng)个元素，把在列表ListB的末尾新添加的第I个元素赋值为比特子序列LBITB的第I个比特的值，其中I＝1,2,…,log2(Ng)；
步骤Step503：激光收发端机B完成原始共享随机比特序列提取操作；
6)本方法的第六部分对激光收发端机A和激光收发端机B提取的原始共享随机比特序列中的不一致比特进行纠错，具体步骤如下：
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列表ListA和列表ListB中存储的原始共享随机比特序列中的不一致比特，使列表ListA和列表ListB中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，接着同时开始执行本方法的第二部分和第三部分，然后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；
本方法的Ns表示一个采样时刻矢量包含的采样时刻个数，δs表示采样时刻矢量的两个相邻采样时刻的时间间隔，δv表示第i个采样时刻矢量的最后一个采样时刻和第i+1个采样时刻矢量的第一个采样时刻之间的时间间隔，其中i＝1,2,…,Nv，Nv表示采样时刻矢量的总个数；Nv＝Num；Num是Ng的整数倍；log2(Ng)的值为正整数。
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| US20050005225A1 (en) * | 2003-06-13 | 2005-01-06 | The Regents Of The University Of California | Fade-resistant forward error correction method for free-space optical communications systems |
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| CN110890917A (zh) * | 2019-12-10 | 2020-03-17 | 长春理工大学 | 基于频谱域的大气湍流光信道共享随机比特提取方法 |
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2022
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