CN116318645A - 信道两端从光衰落变化幅值提取共享随机比特的方法 - Google Patents

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CN116318645A CN202211284087.0A CN202211284087A CN116318645A CN 116318645 A CN116318645 A CN 116318645A CN 202211284087 A CN202211284087 A CN 202211284087A CN 116318645 A CN116318645 A CN 116318645A
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陈纯毅
杨华民
倪小龙
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Abstract

本发明公开一种信道两端从光衰落变化幅值提取共享随机比特的方法。本发明通过在大气湍流光信道中传输相邻光衰落变化幅值序列，实现对光信号幅值序列的量化，最终生成可供合法通信双方共享的共享随机比特序列。由于大气湍流光信道是互易的，所以合法通信双方均可得知光衰落的具体变化方向，为原始共享随机比特序列的低不一致率提供了保障；由于在信道中传输的信息只有相邻光衰落的变化幅值序列和量化门限序列，所以有效防止了信息泄露；最后使用多门限量化算法进行量化操作，在一定程度上提高了共享随机比特生成速率和随机性。

Description

信道两端从光衰落变化幅值提取共享随机比特的方法
技术领域
本发明属于信息安全技术领域，一种信道两端从光衰落变化幅值提取共享随机比特的方法。
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。研究者们提出了一些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，将提取的共享随机比特作为被信道两端的通信双方共享的随机密钥。例如，申请号为201811370939.1的中国发明专利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。从随机光信号衰落中提取随机比特时，需要首先对随机光信号衰落进行采样测量，然后再对采样测量值进行阈值化处理。在《OpticsExpress》2018年26卷13期16422～16441页的论文中针对双向光传输信道互易性问题有详细叙述。由于双向光传输信道具有互易性，所以可以保证提取出的原始共享随机比特序列基本相同，在此基础上使用密钥协商、错误校验技术对两个通信端提取出的原始共享随机比特序列进行不一致比特纠错，最终使原始共享随机比特序列成为可以被真正使用的共享密钥序列。在《IEEE Transactions on Vehicular Technology》2018年67卷12期12462～12466页的论文中建议以相邻测量值之间的差值作为量化操作的基础，不需要信道做任何适应性调整，从而使算法实施更加轻便。参考差分量化和双向光传输信道互易特性，本发明公开一种信道两端从光衰落变化幅值提取共享随机比特的方法，与上述提到《IEEETransactions on Vehicular Technology》2018年67卷12期12462～12466页的论文最大的区别是本发明在信道中传输的是量化边界序列和光衰落变化幅值序列，以光衰落变化幅值序列作为量化操作的基础，既保证了通信双方提取出的原始共享随机比特序列不一致率较低，又可以在一定程度提高共享随机比特的提取速率和随机性。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种信道两端从光衰落变化幅值提取共享随机比特的方法，对大气湍流传输后的光信号的探测电信号幅值进行量化提取共享随机比特。
本方法的技术方案是这样实现的：信道两端从光衰落变化幅值提取共享随机比特的方法，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B发射到大气湍流信道中，激光信号B001到达收发光学系统A后再入射到探测器A上；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包含N-1个元素的一维数组ArrayA_2，数组ArrayA_2用于存储探测器A输出的相邻光衰落的差值；在计算机A的存储器中创建一个包含N-1个元素的一维数组ArrayA_3，数组ArrayA_3用于存储探测器A输出的相邻光衰落变化幅值；在计算机A的存储器中创建一个包含q个元素的数组ArrayAB，数组ArrayAB用于存储计算机A计算出的量化边界序列，其中q为正整数；在计算机A的存储器中创建一个列表ListA，列表ListA用于存储量化分区结果，令列表ListA为空；在计算机A的存储器中创建一个列表ListAL，列表ListAL用于存储由量化分区结果转换得到的格雷码序列，令列表ListAL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IA[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 BDA0003898238600000031
将数组ArryaA_1中第i个元素赋值为IA_1[i]；其中i'和i”均为正整数；
步骤Step206：分别依次针对i＝1,2,…,N-2,N-1做以下操作：
步骤Step206-1：令IA_1[i]表示数组ArryaA_1中的第i个元素的值，令DA＝IA_1[i]-IA_1[i+1]；
步骤Step206-2：将数组ArrayA_2中第i个元素赋值为DA，即令IA_2[i]＝DA，如图2中步骤①所示；
步骤Step207：令IA_2[i]表示数组ArryaA_2中的第i个元素的值，分别依次针对i＝1,2,…,N-1,N，将数组ArrayA_3中第i个元素赋值为IA_3[i]，其中IA_3[i]＝IA_2[i]|，如图2中步骤②所示；其中|x表示取x的绝对值；
步骤Step208：计算数组ArrayA_2中的元素的值的经验累积分布函数FA(x)，分别依次针对j＝q,q-1,...,1，令i＝q+1-j，计算
Figure BDA0003898238600000032
依次将Bx,A[i]存入数组ArrayAB中；将数组ArrayAB中的序列作为量化边界用于提取随机比特序列；其中q表示预设量化边界的个数；
步骤Step209：激光收发端机A将数组ArrayA_2和数组ArrayAB发送给激光收发端机B。
2)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中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包含N-1个元素的一维数组ArrayB_2，数组ArrayB_2用于存储探测器B输出的相邻光衰落的差值；在计算机B的存储器中创建一个包含N-1个元素的一维数组ArrayB_3，数组ArrayB_3用于存储数组ArrayA_3经过处理的结果；在计算机B的存储器中创建一个列表ListB，列表ListB用于存储量化分区结果，令列表ListB为空；在计算机B的存储器中创建一个列表ListBL，列表ListBL用于存储由量化分区结果转换得到的格雷码序列，令列表ListBL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IB[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 BDA0003898238600000041
将数组ArryaB_1中第i个元素赋值为IB_1[i]；其中i'和i”均为正整数；
步骤Step306：分别依次针对i＝1,2,…,N-2,N-1做以下操作：
步骤Step306-1：令IB_1[i]表示数组ArryaB_1中的第i个元素的值，令DB＝IB_1[i]-IB_1[i+1]；
步骤Step306-2：将数组ArrayB_2中第i个元素赋值为DB，即令IB_2[i]＝DB，如图2中步骤③所示。
4)本方法的第四部分在激光收发端机B接收到激光收发端机A发送的数组ArrayA_2和数组ArrayAB后执行以下操作：
步骤Step401：令IA_3[i]表示数组ArryaA_3中的第i个元素的值，分别依次针对i＝1,2,…,N-2,N-1，判断IB_2[i]＞0是否成立，若上式成立，则将数组ArrayB_3中的第i个元素赋值为IA_3[i]，即令IB_3[i]＝IA_3[i]；若上式不成立，则将数组ArrayB_3中的第i个元素赋值为-IA_3[i]，即令IB_3[i]＝-IA_3[i]，如图2中步骤④所示；
步骤Step402：分别依次针对i＝1,2,…,N-2,N-1做以下操作：
步骤Step403-1：令j＝1；
步骤Step403-2：判断IB_3[i]＜Bx,A[j]是否成立，若成立，则将列表ListB中第i个元素IB_4[i]赋值为j-1；
步骤Step403-3：若IB_3[i]＜Bx,A[j]不成立，判断j＜q是否成立，若成立，则令j＝j+1，转步骤Step403-2，否则转步骤Step403-4；
步骤Step403-4：若j＜q不成立，将列表ListB中第i个元素IB_4[i]赋值为j；
步骤Step404：令IB_4[i]表示列表ListB中的第i个元素的值，分别依次针对i＝1,2,…,N-2,N-1，将IB_4[i]转换为格雷码，依次存入列表ListBL中。
5)本方法的第五部分在激光收发端机A中执行量化操作：
步骤Step501：分别依次针对i＝1,2,…,N-2,N-1做以下操作：
步骤Step501-1：令j＝1；
步骤Step501-2：判断IA_2[i]＞Bx,A[j]是否成立，若成立，则将列表ListA中第i个元素IA_4[i]赋值为j-1；
步骤Step501-3：若IA_2[i]＞Bx,A[j]不成立，判断j＜q是否成立，若成立，则令j＝j+1，转步骤Step501-2，否则转步骤Step501-4；
步骤Step501-4：若j＜q不成立，将列表ListA中第i个元素IA_4[i]赋值为j；
步骤Step502：令IA_4[i]表示列表ListA中的第i个元素的值，分别依次针对i＝1,2,…,N-2,N-1，将IA_4[i]转换为格雷码，依次存入列表ListAL中。
6)本方法的第六部分中对激光收发端机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，再同时执行第四部分和第五部分，最后执行本方法的第六部分。
本发明的积极效果：本发明方法中，在互易的双向大气湍流信道中，光信号的衰落方向是一致的，当合法通信双方计算采样测量到的相邻光衰落的变化幅值方向，均可以得知相邻光衰落的变化方向是上升还是下降，在信道中传输相邻光衰落的变化幅值序列和量化边界序列进行共享随机比特序列提取，在此基础上进行量化操作不仅显著降低了生成原始共享随机比特序列的不一致率，而且在一定程度上可以提高共享随机比特生成速率和随机性。
附图说明
图1为信道两端从光衰落变化幅值提取共享随机比特的方法的系统硬件结构示意图；
图2为数据变化示意图。
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：信道两端从光衰落变化幅值提取共享随机比特的方法，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B发射到大气湍流信道中，激光信号B001到达收发光学系统A后再入射到探测器A上；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包含N-1个元素的一维数组ArrayA_2，数组ArrayA_2用于存储探测器A输出的相邻光衰落的差值；在计算机A的存储器中创建一个包含N-1个元素的一维数组ArrayA_3，数组ArrayA_3用于存储探测器A输出的相邻光衰落变化幅值；在计算机A的存储器中创建一个包含q个元素的数组ArrayAB，数组ArrayAB用于存储计算机A计算出的量化边界序列，其中q为正整数；在计算机A的存储器中创建一个列表ListA，列表ListA用于存储量化分区结果，令列表ListA为空；在计算机A的存储器中创建一个列表ListAL，列表ListAL用于存储由量化分区结果转换得到的格雷码序列，令列表ListAL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IA[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 BDA0003898238600000071
将数组ArryaA_1中第i个元素赋值为IA_1[i]；其中i'和i”均为正整数；
步骤Step206：分别依次针对i＝1,2,…,N-2,N-1做以下操作：
步骤Step206-1：令IA_1[i]表示数组ArryaA_1中的第i个元素的值，令DA＝IA_1[i]-IA_1[i+1]；
步骤Step206-2：将数组ArrayA_2中第i个元素赋值为DA，即令IA_2[i]＝DA，如图2中步骤①所示；
步骤Step207：令IA_2[i]表示数组ArryaA_2中的第i个元素的值，分别依次针对i＝1,2,…,N-1,N，将数组ArrayA_3中第i个元素赋值为IA_3[i]，其中IA_3[i]＝|IA_2[i]|，如图2中步骤②所示；其中|x|表示取x的绝对值；
步骤Step208：计算数组ArrayA_2中的元素的值的经验累积分布函数FA(x)，分别依次针对j＝q,q-1,...,1，令i＝q+1-j，计算
Figure BDA0003898238600000081
依次将Bx,A[i]存入数组ArrayAB中；将数组ArrayAB中的序列作为量化边界用于提取随机比特序列；其中q表示预设量化边界的个数；
步骤Step209：激光收发端机A将数组ArrayA_2和数组ArrayAB发送给激光收发端机B。
2)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中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包含N-1个元素的一维数组ArrayB_2，数组ArrayB_2用于存储探测器B输出的相邻光衰落的差值；在计算机B的存储器中创建一个包含N-1个元素的一维数组ArrayB_3，数组ArrayB_3用于存储数组ArrayA_3经过处理的结果；在计算机B的存储器中创建一个列表ListB，列表ListB用于存储量化分区结果，令列表ListB为空；在计算机B的存储器中创建一个列表ListBL，列表ListBL用于存储由量化分区结果转换得到的格雷码序列，令列表ListBL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IB[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 BDA0003898238600000082
将数组ArryaB_1中第i个元素赋值为IB_1[i]；其中i'和i”均为正整数；
步骤Step306：分别依次针对i＝1,2,…,N-2,N-1做以下操作：
步骤Step306-1：令IB_1[i]表示数组ArryaB_1中的第i个元素的值，令DB＝IB_1[i]-IB_1[i+1]；
步骤Step306-2：将数组ArrayB_2中第i个元素赋值为DB，即令IB_2[i]＝DB，如图2中步骤③所示。
4)本方法的第四部分在激光收发端机B接收到激光收发端机A发送的数组ArrayA_2和数组ArrayAB后执行以下操作：
步骤Step401：令IA_3[i]表示数组ArryaA_3中的第i个元素的值，分别依次针对i＝1,2,...,N-2,N-1，判断IB_2[i]＞0是否成立，若上式成立，则将数组ArrayB_3中的第i个元素赋值为IA_3[i]，即令IB_3[i]＝IA_3[i]；若上式不成立，则将数组ArrayB_3中的第i个元素赋值为-IA_3[i]，即令IB_3[i]＝-IA_3[i]，如图2中步骤④所示；
步骤Step402：分别依次针对i＝1,2,…,N-2,N-1做以下操作：
步骤Step403-1：令j＝1；
步骤Step403-2：判断IB_3[i]＜Bx,A[j]是否成立，若成立，则将列表ListB中第i个元素IB_4[i]赋值为j-1；
步骤Step403-3：若IB_3[i]＜Bx,A[j]不成立，判断j＜q是否成立，若成立，则令j＝j+1，转步骤Step403-2，否则转步骤Step403-4；
步骤Step403-4：若j＜q不成立，将列表ListB中第i个元素IB_4[i]赋值为j；
步骤Step404：令IB_4[i]表示列表ListB中的第i个元素的值，分别依次针对i＝1,2,...,N...，N-2，-2,N-1，将IB_4[i]转换为格雷码，依次存入列表ListBL中。
5)本方法的第五部分在激光收发端机A中执行量化操作：
步骤Step501：分别依次针对i＝1,2,...,N-2,N-1做以下操作：
步骤Step501-1：令j＝1；
步骤Step501-2：判断IA_2[i]＞Bx,A[j]是否成立，若成立，则将列表ListA中第i个元素IA_4[i]赋值为j-1；
步骤Step501-3：若IA_2[i]＞Bx,A[j]不成立，判断j＜q是否成立，若成立，则令j＝j+1，转步骤Step501-2，否则转步骤Step501-4；
步骤Step501-4：若j＜q不成立，将列表ListA中第i个元素IA_4[i]赋值为j；
步骤Step502：令IA_4[i]表示列表ListA中的第i个元素的值，分别依次针对i＝1,2,…,N-2,N-1，将IA_4[i]转换为格雷码，依次存入列表ListAL中。
6)本方法的第六部分中对激光收发端机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，再同时执行第四部分和第五部分，最后执行本方法的第六部分。
在本实施例中，δt＝1毫秒；q＝63；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，量化得到的初始共享随机比特序列不一致率为0.003。
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。关于列表，在清华大学出版社出版的ISBN号为978-7-302-14751-0、由严蔚敏、吴伟民编著的《数据结构(C语言版)》一书中第二章的2.1有详细叙述；关于数组，在清华大学出版社出版的ISBN号为978-7-302-14751-0、由严蔚敏、吴伟民编著的《数据结构(C语言版)》一书中第五章的5.1和5.2有详细叙述；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个元素的数组或列表，最先被存入的元素被称为第1个元素，最后被存入的元素被称为第N个元素；Pearson Education公司出版的由Morris H.DeGroot和Mark J.Schervish撰写的ISBN为978-0-321-50046-5的《Probability and statistics,4th Edition》的第658页介绍了经验累积分布函数(Cumulative Distribution Function)的计算方法。在步骤Step208中，数组Array_2实际上是一个随机观测值样本集合，根据数组Array_2可以计算出随机观测值的经验累积分布函数FA(x)；在步骤Step208中计算量化边界Bx,A[j]时，一般设q为2m-1，其中m为正整数，j也为正整数。

Claims (1)

1.基于传输相邻光衰落变化幅值的共享随机比特提取方法，其特征在于，所需的硬件系统和执行步骤如下：
本方法的技术方案是这样实现的：信道两端从光衰落变化幅值提取共享随机比特的方法，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B发射到大气湍流信道中，激光信号B001到达收发光学系统A后再入射到探测器A上；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包含N-1个元素的一维数组ArrayA_2，数组ArrayA_2用于存储探测器A输出的相邻光衰落的差值；在计算机A的存储器中创建一个包含N-1个元素的一维数组ArrayA_3，数组ArrayA_3用于存储探测器A输出的相邻光衰落变化幅值；在计算机A的存储器中创建一个包含q个元素的数组ArrayAB，数组ArrayAB用于存储计算机A计算出的量化边界序列，其中q为正整数；在计算机A的存储器中创建一个列表ListA，列表ListA用于存储量化分区结果，令列表ListA为空；在计算机A的存储器中创建一个列表ListAL，列表ListAL用于存储由量化分区结果转换得到的格雷码序列，令列表ListAL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IA[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 FDA0003898238590000021
将数组ArryaA_1中第i个元素赋值为IA_1[i]；其中i'和i”均为正整数；
步骤Step206：分别依次针对i＝1,2,…,N-2,N-1做以下操作：
步骤Step206-1：令IA_1[i]表示数组ArryaA_1中的第i个元素的值，令DA＝IA_1[i]-IA_1[i+1]；
步骤Step206-2：将数组ArrayA_2中第i个元素赋值为DA，即令IA_2[i]＝DA；
步骤Step207：令IA_2[i]表示数组ArryaA_2中的第i个元素的值，分别依次针对i＝1,2,…,N-1,N，将数组ArrayA_3中第i个元素赋值为IA_3[i]，其中IA_3[i]＝|IA_2[i]|；其中|x|表示取x的绝对值；
步骤Step208：计算数组ArrayA_2中的元素的值的经验累积分布函数FA(x)，分别依次针对j＝q,q-1,...,1，令i＝q+1-j，计算
Figure FDA0003898238590000022
依次将Bx,A[i]存入数组ArrayAB中；将数组ArrayAB中的序列作为量化边界用于提取随机比特序列；其中q表示预设量化边界的个数；
步骤Step209：激光收发端机A将数组ArrayA_2和数组ArrayAB发送给激光收发端机B；
2)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中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包含N-1个元素的一维数组ArrayB_2，数组ArrayB_2用于存储探测器B输出的相邻光衰落的差值；在计算机B的存储器中创建一个包含N-1个元素的一维数组ArrayB_3，数组ArrayB_3用于存储数组ArrayA_3经过处理的结果；在计算机B的存储器中创建一个列表ListB，列表ListB用于存储量化分区结果，令列表ListB为空；在计算机B的存储器中创建一个列表ListBL，列表ListBL用于存储由量化分区结果转换得到的格雷码序列，令列表ListBL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IB[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 FDA0003898238590000031
将数组ArryaB_1中第i个元素赋值为IB_1[i]；其中i'和i”均为正整数；
步骤Step306：分别依次针对i＝1,2,...,N-2,N-1做以下操作：
步骤Step306-1：令IB_1[i]表示数组ArryaB_1中的第i个元素的值，令DB＝IB_1[i]-IB_1[i+1]；
步骤Step306-2：将数组ArrayB_2中第i个元素赋值为DB，即令IB_2[i]＝DB；
4)本方法的第四部分在激光收发端机B接收到激光收发端机A发送的数组ArrayA_2和数组ArrayAB后执行以下操作：
步骤Step401：令IA_3[i]表示数组ArryaA_3中的第i个元素的值，分别依次针对i＝1,2,...,N-2,N-1，判断IB_2[i]＞0是否成立，若上式成立，则将数组ArrayB_3中的第i个元素赋值为IA_3[i]，即令IB_3[i]＝IA_3[i]；若上式不成立，则将数组ArrayB_3中的第i个元素赋值为-IA_3[i]，即令IB_3[i]＝-IA_3[i]；
步骤Step402：分别依次针对i＝1,2,…,N-2,N-1做以下操作：
步骤Step403-1：令j＝1；
步骤Step403-2：判断IB_3[i]＜Bx,A[j]是否成立，若成立，则将列表ListB中第i个元素IB_4[i]赋值为j-1；
步骤Step403-3：若IB_3[i]＜Bx,A[j]不成立，判断j＜q是否成立，若成立，则令j＝j+1，转步骤Step403-2，否则转步骤Step403-4；
步骤Step403-4：若j＜q不成立，将列表ListB中第i个元素IB_4[i]赋值为j；
步骤Step404：令IB_4[i]表示列表ListB中的第i个元素的值，分别依次针对i＝1,2,…,N-2,N-1，将IB_4[i]转换为格雷码，依次存入列表ListBL中；
5)本方法的第五部分在激光收发端机A中执行量化操作：
步骤Step501：分别依次针对i＝1,2,…,N-2,N-1做以下操作：
步骤Step501-1：令j＝1；
步骤Step501-2：判断IA_2[i]＞Bx,A[j]是否成立，若成立，则将列表ListA中第i个元素IA_4[i]赋值为j-1；
步骤Step501-3：若IA_2[i]＞Bx,A[j]不成立，判断j＜q是否成立，若成立，则令j＝j+1，转步骤Step501-2，否则转步骤Step501-4；
步骤Step501-4：若j＜q不成立，将列表ListA中第i个元素IA_4[i]赋值为j；
步骤Step502：令IA_4[i]表示列表ListA中的第i个元素的值，分别依次针对i＝1,2,…,N-2,N-1，将IA_4[i]转换为格雷码，依次存入列表ListAL中；
6)本方法的第六部分中对激光收发端机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；
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