[發(fā)明專利]一種量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位補(bǔ)償方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410567665.0
• 申請(qǐng)日: 2014-10-22
• 公開（公告）號(hào): CN104301101B
• 公開（公告）日: 2017-08-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 林大凱;黃端;劉友明;黃鵬;曾貴華
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): H04L9/08
• 分類號(hào): H04L9/08
• 代理公司: 上海漢聲知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司31236
• 代理人: 郭國(guó)中,樊昕

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是計(jì)算機(jī)信息技術(shù)，具體是一種量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中的相位補(bǔ)償方法。

背景技術(shù)

在計(jì)算機(jī)信息技術(shù)迅速發(fā)展的背景下，信息技術(shù)對(duì)信息安全性的要求日益增加。近年來(lái)，連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)技術(shù)引起了廣泛關(guān)注，因?yàn)槠浼饶茉谖锢砩媳ＷC通信的無(wú)條件安全性，又相比與離散變量量子密鑰分發(fā)技術(shù)具有更高的通信速率和效率的前景。目前連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)吸引了世界上許多研究機(jī)構(gòu)對(duì)其理論和應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。連續(xù)變量量子密碼通信(CV-QKD，Continuous Variable Quantum Key Distribution)因其具有物理的無(wú)條件安全性而成為通信技術(shù)的一個(gè)重要分支。然而，由于光纖和光器件特性，光信號(hào)在長(zhǎng)距離通信過(guò)程中光信號(hào)被大幅度衰減，而且接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)之間會(huì)存在一個(gè)隨機(jī)的相位差，導(dǎo)致信噪比極低，而且相位差的存在將導(dǎo)致后續(xù)的密鑰協(xié)商無(wú)法進(jìn)行，因此需要在協(xié)商之前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相位補(bǔ)償。

傳統(tǒng)的解決方法是使用“反饋式相位補(bǔ)償算法”，即通過(guò)在發(fā)送數(shù)據(jù)中添加一段訓(xùn)練幀，具體為：在相位調(diào)制器上調(diào)制一個(gè)掃頻信號(hào),在接收端通過(guò)觀測(cè)該掃頻電壓的相位來(lái)計(jì)算相位差。但是這種方法只適合于信噪比遠(yuǎn)大于1的情況,在信噪比接近1時(shí),由于難以尋找正弦波峰值,對(duì)相位的估計(jì)也將十分不準(zhǔn)確,而在信噪比小于1的情況下,這種方法將基本無(wú)法工作。同時(shí)，反饋式相位補(bǔ)償方案需要將估計(jì)的相位實(shí)時(shí)補(bǔ)償至接收端相位調(diào)制器中，這不僅增加了系統(tǒng)的硬件復(fù)雜度和成本，同時(shí)也更容易引入附加的噪聲。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出一種量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位補(bǔ)償方法，為了在更低的信噪比條件下得到數(shù)據(jù)的相位漂移角度，并且在最大程度上簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、節(jié)約總體成本，本發(fā)明公開的基于接收數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特性的相位補(bǔ)償方法，通過(guò)在發(fā)送數(shù)據(jù)中添加少量訓(xùn)練幀，并分析接收數(shù)據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)段的統(tǒng)計(jì)特性，便可以在低信噪比條件下精確估計(jì)相位漂移角度，從而保證了系統(tǒng)在長(zhǎng)距離通信時(shí)能夠順利協(xié)商密鑰。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相位補(bǔ)償方法，包括步驟如下：

步驟A:相位估計(jì)步驟；

步驟B:相位補(bǔ)償步驟；

其中：

所述相位估計(jì)步驟，是指利用求互相關(guān)方式計(jì)算相位漂移的角度；

所述相位補(bǔ)償步驟，是指根據(jù)所估計(jì)的相位漂移值，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相位補(bǔ)償。

優(yōu)選地，所述步驟A包括如下步驟：

步驟A1：將發(fā)送數(shù)據(jù)與經(jīng)過(guò)加性高斯信道的接收數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)齊；

步驟A2：計(jì)算對(duì)齊后數(shù)據(jù)的互相關(guān)值；

步驟A3：根據(jù)兩組數(shù)據(jù)的互相關(guān)值以及發(fā)送數(shù)據(jù)的方差計(jì)算相位漂移值。

所述數(shù)據(jù)對(duì)齊的過(guò)程為：通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)幀幀格式的識(shí)別，將發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)按位對(duì)齊。

所述步驟B包括如下步驟：

步驟B1：將估計(jì)得到的相位漂移值發(fā)送至信源端；

步驟B2：信源端根據(jù)原始數(shù)據(jù)的幅度信息和相位信息，重新構(gòu)造補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)。

所述步驟A僅通過(guò)對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析從而計(jì)算出相位漂移值。

發(fā)送端發(fā)送一段隨機(jī)變量到接收端，發(fā)送的數(shù)據(jù)幀中除物理層通信所需的幀同步、位同步段外，再添加一段事先由發(fā)送端和接收端共享的公開的相位補(bǔ)償數(shù)據(jù)，接收端接收到連續(xù)變量后提取其中用于相位補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)幀，由于這段用于相位補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)的幅度信息和相位信息是公開的，接收端利用公開的幅度信息和相位信息構(gòu)造一組和發(fā)送端的相位補(bǔ)償數(shù)據(jù)完全相同的用于相位補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)，通過(guò)求這兩段數(shù)據(jù)的互相關(guān)值計(jì)算相位漂移值。

在系統(tǒng)后處理程序中，在進(jìn)行數(shù)據(jù)協(xié)商前添加一個(gè)軟件接口，將接收端計(jì)算出的相位漂移值通過(guò)信道發(fā)送至發(fā)送端，相應(yīng)的，在發(fā)送端的程序中添加一個(gè)接收該相位漂移值的接口，并利用發(fā)送端保存的數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)的幅值和相位信息重新構(gòu)造發(fā)送端的連續(xù)變量，使用此時(shí)生成的連續(xù)變量繼續(xù)調(diào)用系統(tǒng)后處理程序中的量子協(xié)商程序進(jìn)行數(shù)據(jù)協(xié)商、提取密鑰。

本發(fā)明方法在估計(jì)相位漂移值時(shí)只需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，無(wú)需硬件配合。利用信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性計(jì)算相位漂移值。補(bǔ)償相位在原始數(shù)據(jù)中進(jìn)行，并非對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行相位補(bǔ)償。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

1、相位估計(jì)步驟只需要對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)，不僅計(jì)算簡(jiǎn)便，而且相比于傳統(tǒng)的相位補(bǔ)償技術(shù)具有更高的相位估計(jì)精度，能夠在更惡劣的信道條件中實(shí)現(xiàn)高精度的相位估計(jì)。