CN114614906A - 一种基于概率整形的量子噪声流掩盖传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于概率整形的量子噪声流掩盖传输方法，在发送端通过CCDM算法产生概率整形16QAM信号并将其I、Q两路分别映射成比特，再将I、Q两路的密钥比特直接添加到信号比特末尾，之后，分别将I、Q两路二进制比特序列转化为十进制序列后得到超高阶概率整形QAM信号。本发明在相同比特率条件下，传输距离相比传统方案提升近50％且能够在高速的安全通信传输系统中实现高速量子噪声流加密信号的长距离传输与解密。

Description

一种基于概率整形的量子噪声流掩盖传输方法
技术领域
本发明属于安全通信传输领域，尤其涉及一种基于概率整形的量子噪声流掩盖传输方法。
背景技术
目前，承载全球80％以上数据流量的光网络正朝着超高速、超大容量、超长距离的方向发展。由于下一代光网络将变得复杂和多样化，窃听或拦截的风险可能会增加。近些年来，许多对光信号的加密技术得到了广泛研究，其中包括量子密钥分发、光混沌加密、量子噪声流密钥等。在这些加密方式中，量子密钥分发被认为是唯一已知的实现绝对安全的方法。然而其本质是采用一次一密的加密方式。在一次一密的加密方式下明文的长度需要和密钥的长度一致，因此系统的传输速率会受限于密钥速率。目前这种加密方式仅能支持最大30Mbit/s的传输速率。光学混沌加密应用器件的非线性动力学来生成用于加密的光学混沌载体，虽然混沌加密具有较高的安全性和鲁棒性，目前最高速率可达30Gbit/s，但难以在该速率条件下进行远距离传输。作为一种新兴的光通信物理层安全技术，量子噪声流掩盖结合了数学复杂度和物理复杂度，具有高安全、高速率、长跨距、结构灵活、与现有光纤通信系统高度兼容等优点。
量子噪声流掩盖通过光纤传输过程中半导体激光器和光电探测器引入的散粒噪声和光放大器引入的自发辐射噪声对信号进行加密，窃听者对信号解调失败的概率可达99.9％。2021年，华中科技大学基于ISK调制格式实现了100Gbit/s的传输速率，但传输距离仅为50km。2021年，日本玉川大学Ken Tanizawa等人基于QPSK调制格式，利用偏振复用技术实现了48Gbit/s的最高传输速率，传输距离最远可达10118km，窃听者的误符号率为0.9965。2015年，Masato Yoshida等人采用偏振复用技术，实现了单信道以40Gbit/s的速率传输480km。2020年该团队基于128QAM调制格式，借助波分复用技术，实现了10Tbit/s的传输速率，频谱利效率提高到了6bit/s/Hz。2021年，贝尔实验室Xi Chen等人采用两段SiPh调制器，将分辨率为8bit的任意波形发生器所能提供的基于QAM调制格式的量子噪声流掩盖最大掩盖阶数由216QAM提高到232QAM，同时单波最大波特率由之前的5GBaud提高到22GBaud，净速率可以达到160Gbit/s。如上所述，这些基于量子噪声流掩盖的研究工作为安全通信传输的高速长距离传输带来了希望。为进一步量子噪声流掩盖通信系统的传输速率以及传输距离，研究一种基于概率整形的量子噪声流掩盖传输系统，将具有很重要的研究意义。
发明内容
为实现高速量子噪声流掩盖信号的长距离传输与解密，本发明提供了一种基于概率整形的量子噪声流掩盖传输方法。
本发明的一种基于概率整形的量子噪声流掩盖传输方法，在发送端通过CCDM算法产生概率整形16QAM信号并将其I、Q两路分别映射成比特，再将I、Q两路的密钥比特直接添加到信号比特末尾，之后，分别将I、Q两路二进制比特序列转化为十进制序列后得到超高阶概率整形QAM信号；具体包括以下步骤：
步骤1：在发送端，首先通过恒定组分分布匹配CCDM算法产生概率整形16QAM信号；通过使用发送端和接收端预共享的种子密钥驱动线性反馈移位寄存器，产生偏置位密钥，将偏置位密钥的比特添加到概率整形16QAM的信息位比特后，以此产生超高阶概率整形QAM信号。
步骤2：在超高阶概率整形QAM信号数据起始位添加一个QPSK信号，后续每间隔16个数据符号插入一个QPSK信号，这些QPSK符号将作为导频在接收端用于载波相位恢复。
步骤3：将插入导频后的超高阶概率整形QAM信号进行成型滤波、偏振复用后进入到光纤传输链路中进行传输。
步骤4：在接收端，采用相干检测技术获取具有强度、相位、偏振信息的接收信号；在信号接入相干接收机前使用一个偏振控制器对信号进行偏振解复用，即关闭发送端一路偏振信号的衰减器，调节偏振控制器，直至示波器显示一路偏振信号的噪声与信号完全分离，此时将关闭的衰减器完全打开，完成偏振解复用，随后采集信号；采集的信号，首先通过数字信号处理的方式补偿线性以及非线性效应，然后获取导频符号，利用Viterbi-Viterbi相位估计算法获取导频相位损伤，通过插值得到整段数据的相位损伤，利用该相位损伤进行载波相位恢复随后接收端通过使用预共享的种子密钥生成和发送端一致的偏置位密钥，利用该密钥将超高阶QAM信号映射为16QAM信号后进行解码。
本发明可应用在高速的传输网络中。
本发明相比现有技术的有益技术效果为：
1)在相同比特率条件下，传输距离相比传统方案提升近50％。
2)能够在高速的安全通信传输系统中实现高速量子噪声流掩盖信号的长距离传输与解密。
附图说明
图1为本发明基于概率整形的量子噪声流掩盖传输方法原理框图。
图2为本发明基于概率整形的量子噪声流掩盖传输方法编码原理图。
图3为本发明基于概率整形的量子噪声流掩盖传输方法解码原理图。
图4为相同比特率条件下，均匀QAM信号与概率整形QAM信号在不同光纤长度条件下的误码率图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的一种基于概率整形的量子噪声流掩盖传输方法，在发送端通过CCDM算法产生概率整形16QAM信号并将其I、Q两路分别映射成比特，再将I、Q两路的密钥比特直接添加到信号比特末尾，之后，分别将I、Q两路二进制比特序列转化为十进制序列后得到超高阶概率整形QAM信号；具体包括以下步骤：
步骤1：在发送端，首先通过恒定组分分布匹配CCDM算法产生概率整形16QAM信号；通过使用发送端和接收端预共享的种子密钥驱动线性反馈移位寄存器，产生偏置位密钥，将偏置位密钥的比特添加到概率整形16QAM的信息位比特后，以此产生超高阶概率整形QAM信号。
步骤2：在超高阶概率整形QAM信号数据起始位添加一个QPSK信号，后续每间隔16个数据符号插入一个QPSK信号，这些QPSK符号将作为导频在接收端用于载波相位恢复。
步骤3：将插入导频后的超高阶概率整形QAM信号进行成型滤波、偏振复用后进入到光纤传输链路中进行传输。
步骤4：在接收端，采用相干检测技术获取具有强度、相位、偏振信息的接收信号；在信号接入相干接收机前使用一个偏振控制器对信号进行偏振解复用，即关闭发送端一路偏振信号的衰减器，调节偏振控制器，直至示波器显示一路偏振信号的噪声与信号完全分离，此时将关闭的衰减器完全打开，完成偏振解复用，随后采集信号；采集的信号，首先通过数字信号处理的方式补偿线性以及非线性效应，然后获取导频符号，利用Viterbi-Viterbi相位估计算法获取导频相位损伤，通过插值得到整段数据的相位损伤，利用该相位损伤进行载波相位恢复随后接收端通过使用预共享的种子密钥生成和发送端一致的偏置位密钥，利用该密钥将超高阶QAM信号映射为16QAM信号后进行解码。
如图1所示，本发明由信息产生模块101产生概率整形16QAM的信号；由激光器模块102产生出光载波；IQ调制器模块103将信号调制到光载波上；产生的光信号经过50:50的偏振分束器模块104，经衰减器模块(1051～1052)与偏振控制器模块(1061～1062)进行偏振调节，偏振调节后的信号经过偏振合束器模块107构成偏振复用信号；随后，通过一段或N段光纤(1081～108N)进行传输，相应的传输损耗由一个或N个光放大器(1091～109N)进行补偿；最后传输之后的信号通过偏振控制器1063进行偏振解复用，具体操作为关闭衰减器1051，调节偏振控制器1063直至示波器显示一路偏振信号的噪声与信号完全分离，此时将关闭的衰减器1051完全打开。偏振解复用完成后利用相干接收机111进行相应的模数转换获得数字信号；最后通过数字信号处理模块112进行相应的信号损伤补偿、以及信号解密操作。
图2为基于概率整形的量子噪声流掩盖编码原理图。在信息产生模块101利用CCDM算法产生概率整形16QAM信号并将其I、Q两路分别映射为二进制比特。在每个时隙将由预共享的种子密钥所生成的偏置比特添加到信息比特后，随后，将加密后的I、Q两路比特根据QAM信号映射规则产生超高阶概率整形QAM信号。例如，在图2中，当前时隙的I、Q两路偏置比特分别为01、00，以此偏置对数据比特11、01进行加密，所得到的加密信号I、Q两路分别为1101、1000，进行映射转换后成为256QAM信号中的11+1i。
图3为基于概率整形的量子噪声流掩盖解码原理图。在数字信号处理模块112中，对接收到的数字信号进行色散补偿、载波相位恢复。在对补偿之后的信号解码前，接收端通过使用预共享的种子密钥生成和发送端同样的偏置密钥，在每个时隙下通过使用偏置密钥将超高阶QAM信号映射为16QAM信号进行解码。
图4为本发明的基于概率整形的量子噪声流掩盖传输系统性能测试。均匀QAM信号传输速率为200Gbit/s，概率整形QAM信号信息熵为3.6，传输速率为201.6Gbit/s。两种信号发射功率均匀1dBm。从图中可以发现，在传输性能接近20％FEC阈值时，经过概率整形的信号相较均匀信号在相同传输速率的情况下，传输距离可以提升200km，提升近53％。从图中可以看到随着I、Q两路调制阶数的提高，系统安全性会随之提升。窃听者对本发明所采用概率整形信号解调失败的概率为99.81％，依然具有极高的安全性。

Claims (2)

1.一种基于概率整形的量子噪声流掩盖传输方法，其特征在于，在发送端通过CCDM算法产生概率整形16QAM信号并将其I、Q两路分别映射成比特，再将I、Q两路的密钥比特直接添加到信号比特末尾，之后，分别将I、Q两路二进制比特序列转化为十进制序列后得到超高阶概率整形QAM信号；具体包括以下步骤：
步骤1：在发送端，首先通过恒定组分分布匹配CCDM算法产生概率整形16QAM信号；通过使用发送端和接收端预共享的种子密钥驱动线性反馈移位寄存器，产生偏置位密钥，将偏置位密钥的比特添加到概率整形16QAM的信息位比特后，以此产生超高阶概率整形QAM信号；
步骤2：在超高阶概率整形QAM信号数据起始位添加一个QPSK信号，后续每间隔16个数据符号插入一个QPSK信号，这些QPSK符号将作为导频在接收端用于载波相位恢复；
步骤3：将插入导频后的超高阶概率整形QAM信号进行成型滤波、偏振复用后进入到光纤传输链路中进行传输；
步骤4：在接收端，采用相干检测技术获取具有强度、相位、偏振信息的接收信号；在信号接入相干接收机前使用一个偏振控制器对信号进行偏振解复用，即关闭发送端一路偏振信号的衰减器，调节偏振控制器，直至示波器显示一路偏振信号的噪声与信号完全分离，此时将关闭的衰减器完全打开，完成偏振解复用，随后采集信号；采集的信号，首先通过数字信号处理的方式补偿线性以及非线性效应，然后获取导频符号，利用Viterbi-Viterbi相位估计算法获取导频相位损伤，通过插值得到整段数据的相位损伤，利用该相位损伤进行载波相位恢复随后接收端通过使用预共享的种子密钥生成和发送端一致的偏置位密钥，利用该密钥将超高阶QAM信号映射为16QAM信号后进行解码。
2.根据权利要求1所述的一种基于概率整形的量子噪声流掩盖传输方法，其特征在于，应用在高速的传输网络中。
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