[發明專利]一種基于概率整形的量子噪聲流掩蓋傳輸方法

有效

• 申請號: 202210318365.3
• 申請日: 2022-03-29
• 公開（公告）號: CN114614906B
• 公開（公告）日: 2023-05-02
• 發明（設計）人: 閆連山;孫吉輝;蔣林;易安林;潘煒;羅斌
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: H04B10/54
• 分類號: H04B10/54;H04B10/70;H04B10/85;H04L1/00;H04L25/03
• 代理公司: 成都信博專利代理有限責任公司 51200
• 代理人: 卓仲陽

本發明公開了一種基于概率整形的量子噪聲流掩蓋傳輸方法，在發送端通過CCDM算法產生概率整形16QAM信號并將其I、Q兩路分別映射成比特，再將I、Q兩路的密鑰比特直接添加到信號比特末尾，之后，分別將I、Q兩路二進制比特序列轉化為十進制序列后得到超高階概率整形QAM信號。本發明在相同比特率條件下，傳輸距離相比傳統方案提升近50％且能夠在高速的安全通信傳輸系統中實現高速量子噪聲流加密信號的長距離傳輸與解密。

技術領域

本發明屬于安全通信傳輸領域，尤其涉及一種基于概率整形的量子噪聲流掩蓋傳輸方法。

背景技術

目前，承載全球80％以上數據流量的光網絡正朝著超高速、超大容量、超長距離的方向發展。由于下一代光網絡將變得復雜和多樣化，竊聽或攔截的風險可能會增加。近些年來，許多對光信號的加密技術得到了廣泛研究，其中包括量子密鑰分發、光混沌加密、量子噪聲流密鑰等。在這些加密方式中，量子密鑰分發被認為是唯一已知的實現絕對安全的方法。然而其本質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長度需要和密鑰的長度一致，因此系統的傳輸速率會受限于密鑰速率。目前這種加密方式僅能支持最大30Mbit/s的傳輸速率。光學混沌加密應用器件的非線性動力學來生成用于加密的光學混沌載體，雖然混沌加密具有較高的安全性和魯棒性，目前最高速率可達30Gbit/s，但難以在該速率條件下進行遠距離傳輸。作為一種新興的光通信物理層安全技術，量子噪聲流掩蓋結合了數學復雜度和物理復雜度，具有高安全、高速率、長跨距、結構靈活、與現有光纖通信系統高度兼容等優點。

量子噪聲流掩蓋通過光纖傳輸過程中半導體激光器和光電探測器引入的散粒噪聲和光放大器引入的自發輻射噪聲對信號進行加密，竊聽者對信號解調失敗的概率可達99.9％。2021年，華中科技大學基于ISK調制格式實現了100Gbit/s的傳輸速率，但傳輸距離僅為50km。2021年，日本玉川大學Ken?Tanizawa等人基于QPSK調制格式，利用偏振復用技術實現了48Gbit/s的最高傳輸速率，傳輸距離最遠可達10118km，竊聽者的誤符號率為0.9965。2015年，Masato?Yoshida等人采用偏振復用技術，實現了單信道以40Gbit/s的速率傳輸480km。2020年該團隊基于128QAM調制格式，借助波分復用技術，實現了10Tbit/s的傳輸速率，頻譜利效率提高到了6bit/s/Hz。2021年，貝爾實驗室Xi?Chen等人采用兩段SiPh調制器，將分辨率為8bit的任意波形發生器所能提供的基于QAM調制格式的量子噪聲流掩蓋最大掩蓋階數由2¹⁶QAM提高到2³²QAM，同時單波最大波特率由之前的5GBaud提高到22GBaud，凈速率可以達到160Gbit/s。如上所述，這些基于量子噪聲流掩蓋的研究工作為安全通信傳輸的高速長距離傳輸帶來了希望。為進一步量子噪聲流掩蓋通信系統的傳輸速率以及傳輸距離，研究一種基于概率整形的量子噪聲流掩蓋傳輸系統，將具有很重要的研究意義。

發明內容

為實現高速量子噪聲流掩蓋信號的長距離傳輸與解密，本發明提供了一種基于概率整形的量子噪聲流掩蓋傳輸方法。

本發明的一種基于概率整形的量子噪聲流掩蓋傳輸方法，在發送端通過CCDM算法產生概率整形16QAM信號并將其I、Q兩路分別映射成比特，再將I、Q兩路的密鑰比特直接添加到信號比特末尾，之后，分別將I、Q兩路二進制比特序列轉化為十進制序列后得到超高階概率整形QAM信號；具體包括以下步驟：

步驟1：在發送端，首先通過恒定組分分布匹配CCDM算法產生概率整形16QAM信號；通過使用發送端和接收端預共享的種子密鑰驅動線性反饋移位寄存器，產生偏置位密鑰，將偏置位密鑰的比特添加到概率整形16QAM的信息位比特后，以此產生超高階概率整形QAM信號。

步驟2：在超高階概率整形QAM信號數據起始位添加一個QPSK信號，后續每間隔16個數據符號插入一個QPSK信號，這些QPSK符號將作為導頻在接收端用于載波相位恢復。