CN114301587A - 大气光信道密钥提取中的测量异常值差分幅值比对筛除方法 - Google Patents

大气光信道密钥提取中的测量异常值差分幅值比对筛除方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种大气光信道密钥提取中的测量异常值差分幅值比对筛除方法。本方法通过比对采集的大气光信道中传输光信号的测量采样值的差分幅值，筛除通信双方采集到的电信号数据中的测量异常值，降低了信道噪声和设备噪声对信道互易性影响，达到了提高信道双方提取原始共享随机比特序列的一致率的目的。

Description

大气光信道密钥提取中的测量异常值差分幅值比对筛除方法
技术领域
本发明属于信息安全技术领域，涉及一种大气光信道密钥提取中的测量异常值差分幅值比对筛除方法。
背景技术
当今，信息安全备受人们关注。在网络通信中，为了保护通信双方传送的数据，通常需要对传送的数据进行加密。若用传统公钥体制实现共享密钥分配，在量子计算机实用化后，其安全性会受到挑战。量子密钥分配也是一种给合法通信双方分配共享密钥的技术，但是当前量子密钥分配的实施成本太高。如何低成本且安全地为合法通信双方分配共享密钥是一个值得进一步研究的问题。
有研究者提出从互易的双向大气湍流光信道的随机光信号中提取共享随机比特的方法，进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。从随机光信号中提取随机比特时，首先需要对随机光信号进行测量及采样，再对采样值进行阈值化计算。理想状态下，信道互易性良好，测量采样值中也不含噪声，在此基础上信道两端提取的随机比特序列基本相同；但实际上，在地球大气环境中两个通视的激光收发端建立起的双向光传输信道中会出现随机极端情况，减弱信道互易性，导致测量采样值异常，最终降低信道两端提取随机比特序列的一致率。申请号为202011376004.1的中国发明专利指出保证信道两端提取的随机比特序列(称为原始共享随机比特序列)基本相同的前提是双向光传输信道具有良好的互易性，所以在现实密钥提取时有必要在得到随机光信号测量采样值之后，筛除其中的异常值，再进行阈值化计算得到原始共享随机比特序列。通过测量异常值筛除可显著提高信道两端提取原始共享随机比特序列的一致率。本发明公开一种大气光信道密钥提取中的测量异常值差分幅值比对筛除方法，本方法通过比对信道两端测量采样值的差分幅值进行测量异常值的筛除，从而提高信道两端提取原始共享随机比特序列的一致率。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种大气光信道密钥提取中的测量异常值差分幅值比对筛除方法，通过比对大气双向光信道两端测量采样值的差分幅值，实现测量异常值的筛除，在此基础上再进行共享随机比特提取，以提高信道两端提取共享随机比特的一致率。
本方法的技术方案是这样实现的：大气光信道密钥提取中的测量异常值差分幅值比对筛除方法，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1所示，所述激光器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；所述激光器B发出的激光信号B001经收发光学系统A发射到大气湍流信道中，激光信号B001到达收发光学系统B后再入射到探测器A上；所述计算机A实时采集探测器A输出的电信号，所述计算机B实时采集探测器B输出的电信号。
1)本方法的第一部分是使激光收发端机A和激光收发端机B正常工作，具体操作包括：
步骤Step101：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N个元素的一维数组ArrayA，数组ArrayA用于存储探测器A输出的电信号的幅度采样值；在计算机A的存储器中创建一个包含N个元素的一维数组ArrayA_1，数组ArrayA_1用于存储数组ArrayA中采样值进行规范化处理后的结果；在计算机A的存储器中创建一个长度为m的单向队列QueueA，其中m为小于N的偶数，单向队列QueueA用于暂存数组ArrayA_1中元素的差分幅值；在计算机A的存储器中创建一个长度为N的一维数组ArrayAA，数组ArrayAA用于存储数组ArrayA_1中元素差分幅值的和；在计算机A的存储器中创建一个包含N个元素的一维数组ArrayA_2，数组ArrayA_2用于存储数组ArrayA_1中元素经过异常值筛除后的结果；在计算机A的存储器中创建一个列表ListA，列表ListA用于存储随机比特序列，令列表ListA为空；
步骤Step202：在时刻tA，激光收发端机A的采集程序对探测器A输出的电信号幅度做一次采样，获得一个采样值C001；把数组ArrayA的第CounterA个元素赋值为采样值C001；
步骤Step203：令CounterA＝CounterA+1；令tA＝tA+δt，δt为采样时间间隔；
步骤Step204：如果CounterA>N，则转步骤Step205，否则转步骤Step202；
步骤Step205：在计算机A中，利用程序分别依次针对i＝1,2,…,N-1,N做以下操作：对数组ArrayA中的各个采样值做规范化处理：
步骤Step205-1：令CA[i]表示数组ArrayA中第i个采样值；IA_1[i]表示对数组ArrayA中第i个采样值进行规范化处理后的结果；
步骤Step205-2：令
Figure BDA0003423385900000031
将数组ArryaA_1中第i个元素赋值为IA_1[i]；
步骤Step206：分别依次针对
Figure BDA0003423385900000032
做以下操作：
步骤Step206-1：令IA_1[i]表示数组ArrayA_1中第i个元素的值，令VA＝|IA_1[i]-IA_1[i+1]|，其中|x|表示取x的绝对值；
步骤Step206-2：将VA入队到单向队列QueueA中；
步骤Step207：分别依次针对
Figure BDA0003423385900000033
做以下操作：
步骤Step207-1：令IA_1[i]表示数组ArrayA_1中第i个元素的值，令VA＝|IA_1[i]-IA_1[i+1]|；
步骤Step207-2：将VA入队到单向队列QueueA中，令SA等于当前单向队列QueueA中所有元素值的和，将数组ArrayAA中第
Figure BDA0003423385900000034
个元素赋值为SA；
步骤Step208：分别依次针对
Figure BDA0003423385900000035
做以下操作：
步骤Step208-1：令QA表示单向队列QueueA的队头元素，将QA从单向队列QueueA中出队，其余元素向队头方向移动一个单位；
步骤Step208-2：令SA等于当前单向队列QueueA中所有元素值的和；将数组ArrayAA中第
Figure BDA0003423385900000036
个元素赋值为SA；
步骤Step209：激光收发端机A将数组ArrayAA发送给激光收发端机B。
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N个元素的一维数组ArrayB，数组ArrayB用于存储探测器B输出的电信号的幅度采样值；在计算机B的存储器中创建一个包含N个元素的一维数组ArrayB_1，数组ArrayB_1用于存储数组ArrayB的采样值进行规范化处理后的结果；在计算机B的存储器中创建一个长度为m的单向队列QueueB，其中m为小于N的偶数，单向队列QueueB用于暂存数组ArrayB_1中元素的差分幅值；在计算机B的存储器中创建一个长度为N的一维数组ArrayBB，数组ArrayBB用于存储数组ArrayB_1中元素差分幅值的和；在计算机B的存储器中创建一个长度为N的一维数组ArrayBD，数组ArrayBD用于存储第一轮异常值筛选时的索引信息；在计算机B的存储器中创建一个长度为n的单向队列QueueBD，其中n为小于N的奇数，单向队列QueueBD用于暂存数组ArrayBD中的数据；在计算机B的存储器中创建一个长度为N的一维数组ArrayBP用于存储第二轮异常值筛选时的索引信息；在计算机B的存储器中创建一个包含N个元素的一维数组ArrayB_2，数组ArrayB_2用于存储数组ArrayB_1中的元素经过异常值筛除后的结果；在计算机B的存储器中创建一个列表ListB，列表ListB用于存储随机比特序列，令列表ListB为空；
步骤Step302：在时刻tB，激光收发端机B对探测器B输出的电信号幅度做一次采样，获得一个采样值D001；把数组ArrayB的第CounterB个元素赋值为采样值D001；
步骤Step303：令CounterB＝CounterB+1；令tB＝tB+δt，δt为采样时间间隔；
步骤Step304：如果CounterB>N，则转步骤Step305，否则转步骤Step302；
步骤Step305：在计算机B中，利用程序分别依次针对i＝1,2,…,N-1,N做以下操作：对数组ArrayB中的各个采样值做规范化处理：
步骤Step305-1：令DB[i]表示数组ArrayB中第i个采样值；IB_1[i]表示对数组ArrayB中第i个采样值进行规范化处理后的结果；
步骤Step305-2：令
Figure BDA0003423385900000041
将数组ArryaB_1中第i个元素赋值为IB_1[i]；
步骤Step306：分别依次针对
Figure BDA0003423385900000042
做以下操作：
步骤Step306-1：令IB_1[i]表示数组ArrayB_1中第i个元素的值，令VB＝|IB_1[i]-IB_1[i+1]|；
步骤Step306-2：将VB入队到单向队列QueueB中；
步骤Step307：分别依次针对
Figure BDA0003423385900000051
做以下操作：
步骤Step307-1：令IB_1[i]表示数组ArrayB_1中第i个元素的值，令VB＝|IB_1[i]-IB_1[i+1]|；
步骤Step307-2：将VB入队到单向队列QueueB中，令SB等于当前单向队列QueueB中所有元素值的和，将数组ArrayBB中第
Figure BDA0003423385900000052
个元素赋值为SB；
步骤Step308：分别依次针对
Figure BDA0003423385900000053
做以下操作：
步骤Step308-1：令QB表示单向队列QueueB的队头元素，将QB从单向队列QueueB中出队，其余元素向队头方向移动一个单位；
步骤Step308-2：令SB等于当前单向队列QueueB中所有元素值的和；将数组ArrayBB中第
Figure BDA0003423385900000054
个元素赋值为SB。
4)本方法的第四部分在激光收发端机B接收步骤Step209中激光收发端机A发送的数组ArrayAA后，激光收发端机B的计算机B锁定测量异常值索引，具体步骤如下：
步骤Step401：令TB为第一轮异常筛除判决阈值，分别依次针对i＝1,2,…,N-1,N做以下操作：
步骤Step401-1：令IAA[i]表示数组ArrayAA中的第i个元素的值，令IBB[i]表示数组ArrayBB中的第i个元素的值；
步骤Step401-2：令
Figure BDA0003423385900000055
步骤Step401-3：如果PB≥TB，则将数组ArrayBD中的第i个元素赋值为1；
步骤Step401-4：如果PB＜TB，则将数组ArrayBD中的第i个元素赋值为0；
步骤Step402：
Figure BDA0003423385900000056
表示对x向下取整，分别依次针对
Figure BDA0003423385900000057
做以下操作：
步骤Step402-1：令IBD[i]表示数组ArrayBD中第i个元素的值，将IBD[i]入队到单向队列QueueBD中；
步骤Step403：令TBD为第二轮异常筛除判决阈值，
Figure BDA0003423385900000061
表示对x向上取整，分别依次针对
Figure BDA0003423385900000062
做以下操作：
步骤Step403-1：令IBD[i]表示数组ArrayBD中第i个元素的值，将IBD[i]入队到单向队列QueueBD中，令SBD等于当前单向队列QueueBD中所有元素值的和；
步骤Step403-2：如果
Figure BDA0003423385900000063
则将数组ArrayBP中的第
Figure BDA0003423385900000064
个元素赋值为1；
步骤Step403-3：如果
Figure BDA0003423385900000065
则将数组ArrayBP中的第
Figure BDA0003423385900000066
个元素赋值为0；
步骤Step404：令TBD为第二轮异常筛除判决阈值，依次针对
Figure BDA0003423385900000067
做以下操作：
步骤Step404-1：令QBD表示单向队列QueueBD的队头元素，将QBD从单向队列QueueBD中出队，其余元素向队头方向移动一个单位，令SBD等于当前单向队列QueueBD中所有元素值的和；
步骤Step404-2：如果
Figure BDA0003423385900000068
则将数组ArrayBP中的第
Figure BDA0003423385900000069
个元素赋值为1；
步骤Step404-3：如果
Figure BDA00034233859000000610
则将数组ArrayBP中的第
Figure BDA00034233859000000611
个元素赋值为0；
步骤Step405：激光收发端机B将数组ArrayBP发送给激光收发端机A。
5)本方法的第五部分在激光收发端机A收到步骤Step405中激光收发端机B发送的数组ArrayBP之后，激光收发端机A的计算机A对数组ArrayA_1进行异常值筛除和阈值化计算，具体步骤如下：
步骤Step501：分别依次针对i从N到1做以下操作：
步骤Step501-1：令IBP[i]表示数组ArrayBP中第i个元素的值，令IA_1[i]表示数组ArrayA_1中第i个元素的值；
步骤Step501-2：如果IBP[i]＝0，则不对IA_1[i]做任何操作；
步骤Step501-3：如果IBP[i]＝1，则将IA_1[i]删除；
步骤Step502：在计算机B中，利用程序分别依次针对i＝1,2,…,N-1,N做以下操作：对数组ArrayA_1中剩余的各个元素值做规范化处理：
步骤Step502-1：令CA_1[i]表示数组ArrayA_1中第i个元素的值；IA_2[i]表示对数组ArrayA_1中第i个元素值进行规范化处理后的结果；
步骤Step502-2：令
Figure BDA0003423385900000071
将数组ArryaA_2中第i个元素赋值为IA_2[i]；
步骤Step503：使用量化算法对数组ArrayA_2中的各个元素进行阈值化计算得到随机比特序列，将该随机比特序列存入列表ListA中；
步骤Step504：激光收发端机A完成原始共享随机比特序列提取操作。
6)本方法的第六部分中激光收发端机B的计算机B对数组ArrayB_1进行异常值筛除和阈值化计算，具体步骤如下：
步骤Step601：分别依次针对i从N到1做以下操作：
步骤Step601-1：令IBP[i]表示数组ArrayBP中第i个元素的值，令IB_1[i]表示数组ArrayB_1中第i个元素的值；
步骤Step601-2：如果IBP[i]＝0，则不对IB_1[i]做任何操作；
步骤Step601-3：如果IBP[i]＝1，则将IB_1[i]删除；
步骤Step602：在计算机B中，利用程序分别依次针对i＝1,2,…,N-1,N做以下操作：对数组ArrayB_1中剩余的各个元素值做规范化处理：
步骤Step602-1：令DB_1[i]表示数组ArrayB_1中第i个元素的值；IB_2[i]表示对数组ArrayB_1中第i个元素值进行规范化处理后的结果；
步骤Step602-2：令
Figure BDA0003423385900000072
将数组ArryaB_2中第i个元素赋值为IB_2[i]；
步骤Step603：使用量化算法对数组ArrayB_2中的各个元素进行阈值化计算得到随机比特序列，将该随机比特序列存入列表ListB中；
步骤Step604：激光收发端机B完成原始共享随机比特序列提取操作。
7)本方法第七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：
步骤Step701：使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中的随机比特一致，使得所述激光收发端机A和激光收发端机B拥有相同的比特序列。
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，然后执行第四部分，再同时执行第五部分和第六部分，最后执行本方法的第七部分。
本发明的积极效果：本发明方法是通过差分幅值比对来筛除大气光信道密钥提取中的测量异常值；使用该方法分别计算通信双方测量采样值的差分幅值，传输该差分幅值，比对大气双向光信道两端测量采样值的差分幅值，实现测量异常值的筛除。将异常值筛除之后再对其做阈值化计算，可显著提高信道双方提取原始共享随机比特的一致率。
附图说明
图1为系统硬件结构示意图。
图2为单向队列结构示意图。
图3为单向队列入队示意图。
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。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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，探测器A和探测器B均为PIN光电探测器，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，以通过互联网信道执行误码估计、密钥协商、错误校验操作。激光器A和激光器B均输出功率稳定的激光信号，且激光器A输出激光信号的功率等于激光器B输出激光信号的功率。发表在《密码学报》2015年2卷2期113～121页的论文对量子密钥分配后处理中的误码估计、密钥协商、错误校验操作有详细的介绍。借用量子密钥分配后处理中使用的误码估计、密钥协商、错误校验技术可以对两个激光收发端机提取的原始共享随机比特序列进行不一致比特纠错，并确定最终得到的共享随机比特序列变为可以在实际中使用的共享随机比特序列。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。
本方法的技术方案是这样实现的：大气光信道密钥提取中的测量异常值差分幅值比对筛除方法，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1所示，所述激光器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；所述激光器B发出的激光信号B001经收发光学系统A发射到大气湍流信道中，激光信号B001到达收发光学系统B后再入射到探测器A上；所述计算机A实时采集探测器A输出的电信号，所述计算机B实时采集探测器B输出的电信号。
1)本方法的第一部分是使激光收发端机A和激光收发端机B正常工作，具体操作包括：
步骤Step101：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N个元素的一维数组ArrayA，数组ArrayA用于存储探测器A输出的电信号的幅度采样值；在计算机A的存储器中创建一个包含N个元素的一维数组ArrayA_1，数组ArrayA_1用于存储数组ArrayA中采样值进行规范化处理后的结果；在计算机A的存储器中创建一个长度为m的单向队列QueueA，其中m为小于N的偶数，单向队列QueueA用于暂存数组ArrayA_1中元素的差分幅值；在计算机A的存储器中创建一个长度为N的一维数组ArrayAA，数组ArrayAA用于存储数组ArrayA_1中元素差分幅值的和；在计算机A的存储器中创建一个包含N个元素的一维数组ArrayA_2，数组ArrayA_2用于存储数组ArrayA_1中元素经过异常值筛除后的结果；在计算机A的存储器中创建一个列表ListA，列表ListA用于存储随机比特序列，令列表ListA为空；
步骤Step202：在时刻tA，激光收发端机A的采集程序对探测器A输出的电信号幅度做一次采样，获得一个采样值C001；把数组ArrayA的第CounterA个元素赋值为采样值C001；
步骤Step203：令CounterA＝CounterA+1；令tA＝tA+δt，δt为采样时间间隔；
步骤Step204：如果CounterA>N，则转步骤Step205，否则转步骤Step202；
步骤Step205：在计算机A中，利用程序分别依次针对i＝1,2,…,N-1,N做以下操作：对数组ArrayA中的各个采样值做规范化处理：
步骤Step205-1：令CA[i]表示数组ArrayA中第i个采样值；IA_1[i]表示对数组ArrayA中第i个采样值进行规范化处理后的结果；
步骤Step205-2：令
Figure BDA0003423385900000101
将数组ArryaA_1中第i个元素赋值为IA_1[i]；
步骤Step206：分别依次针对
Figure BDA0003423385900000102
做以下操作：
步骤Step206-1：令IA_1[i]表示数组ArrayA_1中第i个元素的值，令VA＝|IA_1[i]-IA_1[i+1]|，其中|x|表示取x的绝对值；
步骤Step206-2：将VA入队到单向队列QueueA中；
步骤Step207：分别依次针对
Figure BDA0003423385900000103
做以下操作：
步骤Step207-1：令IA_1[i]表示数组ArrayA_1中第i个元素的值，令VA＝|IA_1[i]-IA_1[i+1]|；
步骤Step207-2：将VA入队到单向队列QueueA中，令SA等于当前单向队列QueueA中所有元素值的和，将数组ArrayAA中第
Figure BDA0003423385900000104
个元素赋值为SA；
步骤Step208：分别依次针对
Figure BDA0003423385900000105
做以下操作：
步骤Step208-1：令QA表示单向队列QueueA的队头元素，将QA从单向队列QueueA中出队，其余元素向队头方向移动一个单位；
步骤Step208-2：令SA等于当前单向队列QueueA中所有元素值的和；将数组ArrayAA中第
Figure BDA0003423385900000106
个元素赋值为SA；
步骤Step209：激光收发端机A将数组ArrayAA发送给激光收发端机B。
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N个元素的一维数组ArrayB，数组ArrayB用于存储探测器B输出的电信号的幅度采样值；在计算机B的存储器中创建一个包含N个元素的一维数组ArrayB_1，数组ArrayB_1用于存储数组ArrayB的采样值进行规范化处理后的结果；在计算机B的存储器中创建一个长度为m的单向队列QueueB，其中m为小于N的偶数，单向队列QueueB用于暂存数组ArrayB_1中元素的差分幅值；在计算机B的存储器中创建一个长度为N的一维数组ArrayBB，数组ArrayBB用于存储数组ArrayB_1中元素差分幅值的和；在计算机B的存储器中创建一个长度为N的一维数组ArrayBD，数组ArrayBD用于存储第一轮异常值筛选时的索引信息；在计算机B的存储器中创建一个长度为n的单向队列QueueBD，其中n为小于N的奇数，单向队列QueueBD用于暂存数组ArrayBD中的数据；在计算机B的存储器中创建一个长度为N的一维数组ArrayBP用于存储第二轮异常值筛选时的索引信息；在计算机B的存储器中创建一个包含N个元素的一维数组ArrayB_2，数组ArrayB_2用于存储数组ArrayB_1中的元素经过异常值筛除后的结果；在计算机B的存储器中创建一个列表ListB，列表ListB用于存储随机比特序列，令列表ListB为空；
步骤Step302：在时刻tB，激光收发端机B对探测器B输出的电信号幅度做一次采样，获得一个采样值D001；把数组ArrayB的第CounterB个元素赋值为采样值D001；
步骤Step303：令CounterB＝CounterB+1；令tB＝tB+δt，δt为采样时间间隔；
步骤Step304：如果CounterB>N，则转步骤Step305，否则转步骤Step302；
步骤Step305：在计算机B中，利用程序分别依次针对i＝1,2,…,N-1,N做以下操作：对数组ArrayB中的各个采样值做规范化处理：
步骤Step305-1：令DB[i]表示数组ArrayB中第i个采样值；IB_1[i]表示对数组ArrayB中第i个采样值进行规范化处理后的结果；
步骤Step305-2：令
Figure BDA0003423385900000111
将数组ArryaB_1中第i个元素赋值为IB_1[i]；
步骤Step306：分别依次针对
Figure BDA0003423385900000112
做以下操作：
步骤Step306-1：令IB_1[i]表示数组ArrayB_1中第i个元素的值，令VB＝|IB_1[i]-IB_1[i+1]|；
步骤Step306-2：将VB入队到单向队列QueueB中；
步骤Step307：分别依次针对
Figure BDA0003423385900000121
做以下操作：
步骤Step307-1：令IB_1[i]表示数组ArrayB_1中第i个元素的值，令VB＝|IB_1[i]-IB_1[i+1]|；
步骤Step307-2：将VB入队到单向队列QueueB中，令SB等于当前单向队列QueueB中所有元素值的和，将数组ArrayBB中第
Figure BDA0003423385900000122
个元素赋值为SB；
步骤Step308：分别依次针对
Figure BDA0003423385900000123
做以下操作：
步骤Step308-1：令QB表示单向队列QueueB的队头元素，将QB从单向队列QueueB中出队，其余元素向队头方向移动一个单位；
步骤Step308-2：令SB等于当前单向队列QueueB中所有元素值的和；将数组ArrayBB中第
Figure BDA0003423385900000124
个元素赋值为SB。
4)本方法的第四部分在激光收发端机B接收步骤Step209中激光收发端机A发送的数组ArrayAA后，激光收发端机B的计算机B锁定测量异常值索引，具体步骤如下：
步骤Step401：令TB为第一轮异常筛除判决阈值，分别依次针对i＝1,2,…,N-1,N做以下操作：
步骤Step401-1：令IAA[i]表示数组ArrayAA中的第i个元素的值，令IBB[i]表示数组ArrayBB中的第i个元素的值；
步骤Step401-2：令
Figure BDA0003423385900000125
步骤Step401-3：如果PB≥TB，则将数组ArrayBD中的第i个元素赋值为1；
步骤Step401-4：如果PB＜TB，则将数组ArrayBD中的第i个元素赋值为0；
步骤Step402：
Figure BDA0003423385900000126
表示对x向下取整，分别依次针对
Figure BDA0003423385900000127
做以下操作：
步骤Step402-1：令IBD[i]表示数组ArrayBD中第i个元素的值，将IBD[i]入队到单向队列QueueBD中；
步骤Step403：令TBD为第二轮异常筛除判决阈值，
Figure BDA0003423385900000131
表示对x向上取整，分别依次针对
Figure BDA0003423385900000132
做以下操作：
步骤Step403-1：令IBD[i]表示数组ArrayBD中第i个元素的值，将IBD[i]入队到单向队列QueueBD中，令SBD等于当前单向队列QueueBD中所有元素值的和；
步骤Step403-2：如果
Figure BDA0003423385900000133
则将数组ArrayBP中的第
Figure BDA0003423385900000134
个元素赋值为1；
步骤Step403-3：如果
Figure BDA0003423385900000135
则将数组ArrayBP中的第
Figure BDA0003423385900000136
个元素赋值为0；
步骤Step404：令TBD为第二轮异常筛除判决阈值，依次针对
Figure BDA0003423385900000137
做以下操作：
步骤Step404-1：令QBD表示单向队列QueueBD的队头元素，将QBD从单向队列QueueBD中出队，其余元素向队头方向移动一个单位，令SBD等于当前单向队列QueueBD中所有元素值的和；
步骤Step404-2：如果
Figure BDA0003423385900000138
则将数组ArrayBP中的第
Figure BDA0003423385900000139
个元素赋值为1；
步骤Step404-3：如果
Figure BDA00034233859000001310
则将数组ArrayBP中的第
Figure BDA00034233859000001311
个元素赋值为0；
步骤Step405：激光收发端机B将数组ArrayBP发送给激光收发端机A。
5)本方法的第五部分在激光收发端机A收到步骤Step405中激光收发端机B发送的数组ArrayBP之后，激光收发端机A的计算机A对数组ArrayA_1进行异常值筛除和阈值化计算，具体步骤如下：
步骤Step501：分别依次针对i从N到1做以下操作：
步骤Step501-1：令IBP[i]表示数组ArrayBP中第i个元素的值，令IA_1[i]表示数组ArrayA_1中第i个元素的值；
步骤Step501-2：如果IBP[i]＝0，则不对IA_1[i]做任何操作；
步骤Step501-3：如果IBP[i]＝1，则将IA_1[i]删除；
步骤Step502：在计算机B中，利用程序分别依次针对i＝1,2,…,N-1,N做以下操作：对数组ArrayA_1中剩余的各个元素值做规范化处理：
步骤Step502-1：令CA_1[i]表示数组ArrayA_1中第i个元素的值；IA_2[i]表示对数组ArrayA_1中第i个元素值进行规范化处理后的结果；
步骤Step502-2：令
Figure BDA0003423385900000141
将数组ArryaA_2中第i个元素赋值为IA_2[i]；
步骤Step503：使用量化算法对数组ArrayA_2中的各个元素进行阈值化计算得到随机比特序列，将该随机比特序列存入列表ListA中；
步骤Step504：激光收发端机A完成原始共享随机比特序列提取操作。
6)本方法的第六部分中激光收发端机B的计算机B对数组ArrayB_1进行异常值筛除和阈值化计算，具体步骤如下：
步骤Step601：分别依次针对i从N到1做以下操作：
步骤Step601-1：令IBP[i]表示数组ArrayBP中第i个元素的值，令IB_1[i]表示数组ArrayB_1中第i个元素的值；
步骤Step601-2：如果IBP[i]＝0，则不对IB_1[i]做任何操作；
步骤Step601-3：如果IBP[i]＝1，则将IB_1[i]删除；
步骤Step602：在计算机B中，利用程序分别依次针对i＝1,2,…,N-1,N做以下操作：对数组ArrayB_1中剩余的各个元素值做规范化处理：
步骤Step602-1：令DB_1[i]表示数组ArrayB_1中第i个元素的值；IB_2[i]表示对数组ArrayB_1中第i个元素值进行规范化处理后的结果；
步骤Step602-2：令
Figure BDA0003423385900000142
将数组ArryaB_2中第i个元素赋值为IB_2[i]；
步骤Step603：使用量化算法对数组ArrayB_2中的各个元素进行阈值化计算得到随机比特序列，将该随机比特序列存入列表ListB中；
步骤Step604：激光收发端机B完成原始共享随机比特序列提取操作。
7)本方法第七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：
步骤Step701：使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中的随机比特一致，使得所述激光收发端机A和激光收发端机B拥有相同的比特序列。
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，然后执行第四部分，再同时执行第五部分和第六部分，最后执行本方法的第七部分。
在本实施例中，N＝20000；δt＝0.2毫秒；m＝4；n＝5；TB＝0.9；TBD＝0.5；激光器A和激光器B输出光强在时间上是稳定的。激光器A和激光器B输出的光强大小相同。
本领域内的技术人员应明白，数组和列表是计算机程序设计中的概念，它们都是由一系列元素按照从前到后的顺序排列组成的集合，是存储数据的容器，队列是一种先进先出的线性表，它只允许在表的一端进行插入，而在另一端删除元素。在本实施例中，数组和列表的元素都是从1开始编号，对于包含N个元素的数组和列表，最前面的那个元素被称为第1个元素，最后一个元素被称为第N个元素。数组ArrayBD、数组ArrayBP为标记测量异常值索引信息的数组，数组ArrayBD、数组ArrayBP中元素值为1则表示数组ArrayA_1、数组ArrayB_1中与该元素索引相同的元素为异常值；差分幅值为相邻两个元素值之差的绝对值，计算过程如步骤Step206-1及步骤Step306-1所示；关于单向队列的定义及操作问题，在清华大学出版社出版严蔚敏、吴伟民编著的《数据结构》一书中第三章的3.4有详细叙述；单向队列结构如图2所示；单向队列入队过程如图3所示。在步骤Step209和步骤Step405中涉及数组传递，可使用激光通信或者网络通信进行传递。在步骤Step503和步骤Step603中，使用到了量化算法。本发明申请中的量化算法是指，对数组ArrayB_2和数组ArrayA_2的各个元素的值进行阈值化计算，以得到0、1比特序列。本实施例使用申请号为201811370939.1的中国发明专利申请中的步骤Step309进行阈值化计算，以得到0、1比特序列。
图3为单向队列入队示意图，其中DA1、DA2…等表示进行入队出队操作的元素，在该示意图中，当队列中元素个数达到4个，仍然需要再入队时，需要先将队头元素出队，其余元素向队头方向移动一个单位，再进行下一个元素的入队操作。

Claims (1)

1.大气光信道密钥提取中的测量异常值差分幅值比对筛除方法，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；所述激光器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；所述激光器B发出的激光信号B001经收发光学系统A发射到大气湍流信道中，激光信号B001到达收发光学系统B后再入射到探测器A上；所述计算机A实时采集探测器A输出的电信号，所述计算机B实时采集探测器B输出的电信号；
1)本方法的第一部分是使激光收发端机A和激光收发端机B正常工作，具体操作包括：
步骤Step101：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N个元素的一维数组ArrayA，数组ArrayA用于存储探测器A输出的电信号的幅度采样值；在计算机A的存储器中创建一个包含N个元素的一维数组ArrayA_1，数组ArrayA_1用于存储数组ArrayA中采样值进行规范化处理后的结果；在计算机A的存储器中创建一个长度为m的单向队列QueueA，其中m为小于N的偶数，单向队列QueueA用于暂存数组ArrayA_1中元素的差分幅值；在计算机A的存储器中创建一个长度为N的一维数组ArrayAA，数组ArrayAA用于存储数组ArrayA_1中元素差分幅值的和；在计算机A的存储器中创建一个包含N个元素的一维数组ArrayA_2，数组ArrayA_2用于存储数组ArrayA_1中元素经过异常值筛除后的结果；在计算机A的存储器中创建一个列表ListA，列表ListA用于存储随机比特序列，令列表ListA为空；
步骤Step202：在时刻tA，激光收发端机A的采集程序对探测器A输出的电信号幅度做一次采样，获得一个采样值C001；把数组ArrayA的第CounterA个元素赋值为采样值C001；
步骤Step203：令CounterA＝CounterA+1；令tA＝tA+δt，δt为采样时间间隔；
步骤Step204：如果CounterA>N，则转步骤Step205，否则转步骤Step202；
步骤Step205：在计算机A中，利用程序分别依次针对i＝1,2,…,N-1,N做以下操作：对数组ArrayA中的各个采样值做规范化处理：
步骤Step205-1：令CA[i]表示数组ArrayA中第i个采样值；IA_1[i]表示对数组ArrayA中第i个采样值进行规范化处理后的结果；
步骤Step205-2：令
Figure FDA0003423385890000011
将数组ArryaA_1中第i个元素赋值为IA_1[i]；
步骤Step206：分别依次针对
Figure FDA0003423385890000021
做以下操作：
步骤Step206-1：令IA_1[i]表示数组ArrayA_1中第i个元素的值，令VA＝|IA_1[i]-IA_1[i+1]|，其中|x|表示取x的绝对值；
步骤Step206-2：将VA入队到单向队列QueueA中；
步骤Step207：分别依次针对
Figure FDA0003423385890000022
做以下操作：
步骤Step207-1：令IA_1[i]表示数组ArrayA_1中第i个元素的值，令VA＝|IA_1[i]-IA_1[i+1]|；
步骤Step207-2：将VA入队到单向队列QueueA中，令SA等于当前单向队列QueueA中所有元素值的和，将数组ArrayAA中第
Figure FDA0003423385890000023
个元素赋值为SA；
步骤Step208：分别依次针对
Figure FDA0003423385890000024
做以下操作：
步骤Step208-1：令QA表示单向队列QueueA的队头元素，将QA从单向队列QueueA中出队，其余元素向队头方向移动一个单位；
步骤Step208-2：令SA等于当前单向队列QueueA中所有元素值的和；将数组ArrayAA中第
Figure FDA0003423385890000025
个元素赋值为SA；
步骤Step209：激光收发端机A将数组ArrayAA发送给激光收发端机B；
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N个元素的一维数组ArrayB，数组ArrayB用于存储探测器B输出的电信号的幅度采样值；在计算机B的存储器中创建一个包含N个元素的一维数组ArrayB_1，数组ArrayB_1用于存储数组ArrayB的采样值进行规范化处理后的结果；在计算机B的存储器中创建一个长度为m的单向队列QueueB，其中m为小于N的偶数，单向队列QueueB用于暂存数组ArrayB_1中元素的差分幅值；在计算机B的存储器中创建一个长度为N的一维数组ArrayBB，数组ArrayBB用于存储数组ArrayB_1中元素差分幅值的和；在计算机B的存储器中创建一个长度为N的一维数组ArrayBD，数组ArrayBD用于存储第一轮异常值筛选时的索引信息；在计算机B的存储器中创建一个长度为n的单向队列QueueBD，其中n为小于N的奇数，单向队列QueueBD用于暂存数组ArrayBD中的数据；在计算机B的存储器中创建一个长度为N的一维数组ArrayBP用于存储第二轮异常值筛选时的索引信息；在计算机B的存储器中创建一个包含N个元素的一维数组ArrayB_2，数组ArrayB_2用于存储数组ArrayB_1中的元素经过异常值筛除后的结果；在计算机B的存储器中创建一个列表ListB，列表ListB用于存储随机比特序列，令列表ListB为空；
步骤Step302：在时刻tB，激光收发端机B对探测器B输出的电信号幅度做一次采样，获得一个采样值D001；把数组ArrayB的第CounterB个元素赋值为采样值D001；
步骤Step303：令CounterB＝CounterB+1；令tB＝tB+δt，δt为采样时间间隔；
步骤Step304：如果CounterB>N，则转步骤Step305，否则转步骤Step302；
步骤Step305：在计算机B中，利用程序分别依次针对i＝1,2,…,N-1,N做以下操作：对数组ArrayB中的各个采样值做规范化处理：
步骤Step305-1：令DB[i]表示数组ArrayB中第i个采样值；IB_1[i]表示对数组ArrayB中第i个采样值进行规范化处理后的结果；
步骤Step305-2：令
Figure FDA0003423385890000031
将数组ArryaB_1中第i个元素赋值为IB_1[i]；
步骤Step306：分别依次针对
Figure FDA0003423385890000032
做以下操作：
步骤Step306-1：令IB_1[i]表示数组ArrayB_1中第i个元素的值，令VB＝|IB_1[i]-IB_1[i+1]|；
步骤Step306-2：将VB入队到单向队列QueueB中；
步骤Step307：分别依次针对
Figure FDA0003423385890000033
做以下操作：
步骤Step307-1：令IB_1[i]表示数组ArrayB_1中第i个元素的值，令VB＝|IB_1[i]-IB_1[i+1]|；
步骤Step307-2：将VB入队到单向队列QueueB中，令SB等于当前单向队列QueueB中所有元素值的和，将数组ArrayBB中第
Figure FDA0003423385890000041
个元素赋值为SB；
步骤Step308：分别依次针对
Figure FDA0003423385890000042
做以下操作：
步骤Step308-1：令QB表示单向队列QueueB的队头元素，将QB从单向队列QueueB中出队，其余元素向队头方向移动一个单位；
步骤Step308-2：令SB等于当前单向队列QueueB中所有元素值的和；将数组ArrayBB中第
Figure FDA0003423385890000043
个元素赋值为SB；
4)本方法的第四部分在激光收发端机B接收步骤Step209中激光收发端机A发送的数组ArrayAA后，激光收发端机B的计算机B锁定测量异常值索引，具体步骤如下：
步骤Step401：令TB为第一轮异常筛除判决阈值，分别依次针对i＝1,2,…,N-1,N做以下操作：
步骤Step401-1：令IAA[i]表示数组ArrayAA中的第i个元素的值，令IBB[i]表示数组ArrayBB中的第i个元素的值；
步骤Step401-2：令
Figure FDA0003423385890000044
步骤Step401-3：如果PB≥TB，则将数组ArrayBD中的第i个元素赋值为1；
步骤Step401-4：如果PB＜TB，则将数组ArrayBD中的第i个元素赋值为0；
步骤Step402：
Figure FDA0003423385890000045
表示对x向下取整，分别依次针对
Figure FDA0003423385890000046
做以下操作：
步骤Step402-1：令IBD[i]表示数组ArrayBD中第i个元素的值，将IBD[i]入队到单向队列QueueBD中；
步骤Step403：令TBD为第二轮异常筛除判决阈值，
Figure FDA0003423385890000047
表示对x向上取整，分别依次针对
Figure FDA0003423385890000048
做以下操作：
步骤Step403-1：令IBD[i]表示数组ArrayBD中第i个元素的值，将IBD[i]入队到单向队列QueueBD中，令SBD等于当前单向队列QueueBD中所有元素值的和；
步骤Step403-2：如果
Figure FDA0003423385890000051
则将数组ArrayBP中的第
Figure FDA0003423385890000052
个元素赋值为1；
步骤Step403-3：如果
Figure FDA0003423385890000053
则将数组ArrayBP中的第
Figure FDA0003423385890000054
个元素赋值为0；
步骤Step404：令TBD为第二轮异常筛除判决阈值，依次针对
Figure FDA0003423385890000055
做以下操作：
步骤Step404-1：令QBD表示单向队列QueueBD的队头元素，将QBD从单向队列QueueBD中出队，其余元素向队头方向移动一个单位，令SBD等于当前单向队列QueueBD中所有元素值的和；
步骤Step404-2：如果
Figure FDA0003423385890000056
则将数组ArrayBP中的第
Figure FDA0003423385890000057
个元素赋值为1；
步骤Step404-3：如果
Figure FDA0003423385890000058
则将数组ArrayBP中的第
Figure FDA0003423385890000059
个元素赋值为0；
步骤Step405：激光收发端机B将数组ArrayBP发送给激光收发端机A；
5)本方法的第五部分在激光收发端机A收到步骤Step405中激光收发端机B发送的数组ArrayBP之后，激光收发端机A的计算机A对数组ArrayA_1进行异常值筛除和阈值化计算，具体步骤如下：
步骤Step501：分别依次针对i从N到1做以下操作：
步骤Step501-1：令IBP[i]表示数组ArrayBP中第i个元素的值，令IA_1[i]表示数组ArrayA_1中第i个元素的值；
步骤Step501-2：如果IBP[i]＝0，则不对IA_1[i]做任何操作；
步骤Step501-3：如果IBP[i]＝1，则将IA_1[i]删除；
步骤Step502：在计算机B中，利用程序分别依次针对i＝1,2,…,N-1,N做以下操作：对数组ArrayA_1中剩余的各个元素值做规范化处理：
步骤Step502-1：令CA_1[i]表示数组ArrayA_1中第i个元素的值；IA_2[i]表示对数组ArrayA_1中第i个元素值进行规范化处理后的结果；
步骤Step502-2：令
Figure FDA00034233858900000510
将数组ArryaA_2中第i个元素赋值为IA_2[i]；
步骤Step503：使用量化算法对数组ArrayA_2中的各个元素进行阈值化计算得到随机比特序列，将该随机比特序列存入列表ListA中；
步骤Step504：激光收发端机A完成原始共享随机比特序列提取操作；
6)本方法的第六部分中激光收发端机B的计算机B对数组ArrayB_1进行异常值筛除和阈值化计算，具体步骤如下：
步骤Step601：分别依次针对i从N到1做以下操作：
步骤Step601-1：令IBP[i]表示数组ArrayBP中第i个元素的值，令IB_1[i]表示数组ArrayB_1中第i个元素的值；
步骤Step601-2：如果IBP[i]＝0，则不对IB_1[i]做任何操作；
步骤Step601-3：如果IBP[i]＝1，则将IB_1[i]删除；
步骤Step602：在计算机B中，利用程序分别依次针对i＝1,2,…,N-1,N做以下操作：对数组ArrayB_1中剩余的各个元素值做规范化处理：
步骤Step602-1：令DB_1[i]表示数组ArrayB_1中第i个元素的值；IB_2[i]表示对数组ArrayB_1中第i个元素值进行规范化处理后的结果；
步骤Step602-2：令
Figure FDA0003423385890000061
将数组ArryaB_2中第i个元素赋值为IB_2[i]；
步骤Step603：使用量化算法对数组ArrayB_2中的各个元素进行阈值化计算得到随机比特序列，将该随机比特序列存入列表ListB中；
步骤Step604：激光收发端机B完成原始共享随机比特序列提取操作；
7)本方法第七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：
步骤Step701：使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中的随机比特一致，使得所述激光收发端机A和激光收发端机B拥有相同的比特序列；
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，然后执行第四部分，再同时执行第五部分和第六部分，最后执行本方法的第七部分。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109474421A (zh) * 2018-11-20 2019-03-15 长春理工大学 从大气湍流光信号衰落中提取共享随机比特的方法
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
CN112039919A (zh) * 2020-09-11 2020-12-04 长春理工大学 基于频数均衡的大气湍流光信道共享随机比特提取方法

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