一种连续变量量子密钥分发系统位帧同步方法与流程

1.本发明涉及数据传输领域，尤其涉及一种连续变量量子密钥分发系统位帧同步方法。


背景技术：

2.连续变量量子密钥分发技术是现阶段实现密钥安全分发的重要途径，在数据安全传输和保密通信网络建设方面具有很大的应用价值。与传统数字通信技术类似，高效、可靠的码元同步和数据帧同步是实现密钥正确传输和检测的基础。然而量子密钥分发系统发送和接收信号达到了单光子量级，导致系统的初始接收信号信噪比很低，传统激光通信系统的同步方法无法应用在连续变量量子密钥分发系统中。针对连续变量量子密钥分发系统自身的特点及对同步技术的要求，本文提出了一种紧凑、可靠、高效的连续变量量子密钥分发系统同步数据帧结构和同步方法。
3.现阶段连续变量量子密钥分发系统时钟信号的同步主要有发端发送时钟信号和接收端从调制信号中提取时钟信号两类。发端发送时钟信号主要采用复用技术或单独的一路光信号完成时钟信号的发送，并在接收端完成时钟信号的提取和处理。该类方法一方面只能实现位同步，无法实现帧同步；同时需要占用额外的链路资源，不利于系统集成和实际应用。
4.利用调制信号自身实现接收数据的位同步和帧同步具有更好的应用价值，目前已有相关研究人员提出了基于构造同步帧结构的系统同步方案和基于调制本振信号的系统同步方案。上述同步方案或需要严格控制信号光和本振光的同步、处理流程复杂且不利于系统向本地本振量子密钥分发体制的迁移，或在系统安全性及信号同步效率方面存在不足。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对上述背景技术中的不足，提出了一种新的连续变量量子密钥分发系统同步数据帧结构及同步方法，该方法不需要对调制模块和接收探测模块进行特定的约束，位同步和帧同步过程之间不需要其他信号处理过程和状态参数传递，同时可以有效抵抗信道非线性噪声影响，具有更好的系统安全性和实用性。
6.本发明采用的技术方案为：
7.一种连续变量量子密钥分发系统位帧同步方法，包括以下步骤：
8.(1)将同步数据与密钥信息一起构成发射端的发送数据帧，同步数据包括三段同步数据块，分别为用于相位噪声补偿的数据、用于数据位同步的数据和用于数据帧同步的数据，且同步数据放置于密钥信息的前面；
9.(2)将构造的发送数据帧送入发送端调制模块的强度调制器和相位调制器中，调制后通过信号链路发送到接收端；
10.(3)接收端进行信号相干接收，并随机对接收信号的x分量或p分量进行测量；
11.(4)接收端根据x分量和y分量的检测结果，识别同步数据的第一段，计算得到相位噪声，对非线性效应引入的相位噪声进行补偿，并实现粗糙的位同步；
12.(5)在实现非线性相位噪声补偿的基础上，利用同步信号的第二段进行接收信号精确的位同步；
13.(6)在实现接收信号精确位同步的基础上，利用同步信号的第三段进行接收端精确的帧同步，完成整个信号同步过程。
14.其中，第一段同步数据加载到强度调制器上的信号为v
pvpvn
循环排列的信号，加载到相位调制器上的信号保持v
π
/4不变；第二段同步数据加载到强度调制器上的信号为v
pvpvn
循环排列的信号，加载到相位调制器上的信号为随机信号，且信号变化频率是系统密钥速率的一半；第三段同步数据加载到强度调制器上的信号服从瑞利分布，加载到相位调制器上的信号服从均匀分布；其中，v
p
表示强度调制器传输曲线peak点对应的电压，vn表示强度调制器传输曲线null点对应的电压，v
π
表示相位调制器半波电压。
15.其中，步骤(6)同时采用具有不同重复周期的调制信号x分量和p分量进行相关同步。
16.其中，用于数据帧同步的第三段同步数据采用自相关性好的随机序列得到满足瑞利分布和均匀分布的调制序列，作为强度调制器和相位调制器的调制信号；其中自相关性好的随机序列包括m序列和gold序列。
17.和现有的技术相比，本发明的优势在于：
18.本发明中提出的连续变量量子密钥分发系统同步技术通过合理地设计发送数据帧结构和同步方法，利用一个包含三段同步数据的同步信号同时实现码元位同步、数据帧同步及非线性相位噪声补偿，不需要进行额外的参数传递，提升了同步效率、同步精度及同步成功率，同时本方法不需要对调制模块和接收探测模块进行约束，同步过程与密钥分发过程可以同时进行，具有更好的应用价值。
附图说明
19.图1是本发明提出的连续变量量子密钥分发系统位帧同步方案实现框图。
20.图2是本发明中采用的发送数据帧组成结构图。
具体实施方式
21.下面结合附图及实施例对本发明的实施流程作详细描述。
22.本发明所提出的连续变量量子密钥分发系统同步方案的原理图如图1所示，其主要涉及以下模块：
23.发送数据帧模块，本发明提出的连续变量量子密钥分发系统同步方案采用的数据帧结构包含三段同步数据和一段密钥数据，三段同步数据分别用于相位噪声补偿、数据位同步和数据帧同步；
24.高斯调制模块，发射端发送数据利用系统自身的高斯调制模块完成数据的电光转换，该模块一般由一个强度调制器和一个相位调制器级联而成；
25.相干探测模块，采用与连续变量量子密钥分发系统完全一致的相干探测结构实现同步信号的接收探测，不需要进行额外的控制；
26.相位调制补偿模块，非线性效应引入的相位噪声的补偿通过反馈控制本振信号相位调制器实现，因此该模块具有选择测量和相位补偿双重作用；
27.信号采样与信号处理模块，探测器输出的信号由模数转换器实现采样，通过信号处理模块实现相位噪声的计算、采样时钟偏差的计算，帧位置的对比检测等，并将误差结果反馈给参考时钟和相位补偿模块。
28.下面以连续变量量子密钥分发系统的同步过程为例说明本发明的详细实施流程。
29.如图2所示，在系统发送的每一帧密钥信息的前面加入用于同步的数据序列，每一帧密钥信息中加入的同步数据结构相同，在数据帧中的位置固定，在进行密钥分发前将同步数据信息告知接收端。本发明设计和采用的同步数据结构包含三部分，第一部分加载到强度调制器上的信号为v
pvpvn
循环排列的信号，其中v
p
表示强度调制器传输曲线peak点对应的电压，vn表示强度调制器传输曲线null点对应的电压，加载到相位调制器上的信号保持v
π
/4不变，其中v
π
表示相位调制器半波电压。由此可知第一段同步数据调制的相干态x分量和p分量保持一致，大小在最大值和最小值之间变换。对于每一个调制信息，接收端有两种可能的探测结果，
[0030][0031]
其中r表示相干探测模块转换效率，p
lo
为接收端本振光功率，和分别表示调制信号的位置分量和动量分量，为相干探测模块输出的电流信号。理想情况下，选择测量x分量和选择测量p分量得到的结果是相同的。由于传输过程的非线性效应对量子信号引入了一定的相位漂移，这会影响接收端的同步效果。对于发射端调制的两个相邻非真空态，接收端有一半的概率对这两个相干态分别进行了x分量和p分量测量，进而可以利用检测得到的两个分量获得相位漂移量，
[0032][0033]
并通过反馈控制接收端本振信号的相位调制量，实现相位漂移量的补偿，获得更精确的数据检测结果。同步过程中是通过检测接收信号中反复出现
‘
110’信号格式，即每两个高电平信号中间包含一个低电平信号，进而确定同步数据第一段的位置。因此在这个过程中，系统实现了比较粗糙的位同步。当经过多个数据帧周期均没有找到
‘
110’格式的信号时，说明相位漂移量可能刚好导致接收端x分量或p分量处于低电平，或时钟采样位置有较大偏差，可以通过盲搜索方法不断改变相位补偿量和时钟采样位置，直至出现规律的
‘
110’格式的信号。其中相位补偿量可以通过改变本振信号的相位调制量来改变，采样时钟位置可以通过添加/扣除时钟脉冲或调整信号延时量来改变。在每一次的密钥分发过程中，盲搜索过程一般只需要执行一次，不会影响系统的工作效率。
[0034]
经过上述的处理，一方面可以保证系统能够采集到调制信息，同时利用同步数据序列的第一段实现了相位噪声的补偿，但此时采样点的位置往往不是最佳的。为了进一步优化采样时钟的采样时刻，提高接收端采集信号的质量，利用同步序列的第二段信号获得精确的位同步时钟。如图2所示，同步序列中的第二段信号施加到强度调制器上的信号与第
一段相同，而施加到相位调制器上的信号是一个随机信号，且信号变化频率是系统密钥速率的一半。同步序列第二段信号所调制的相干态是一个在相空间里大小不变、相位随机变化的相干态与真空态的集合，因此可以利用接收信号的能量作为位同步质量的判据。同样地，在接收端有一半的概率对两个相邻的非真空态分别进行了x分量和p分量测量，通过调整采样时钟的时刻使得两个分量的和f(t
sam
)＝i
x
+i
p
最大化，进而获得最佳的位同步结果，
[0035]
f(t
sam
)＝maxf(t
sam
)(3)其中max表示相关参量取得最大值。在对采样时钟进行控制时，可以采用以下实现方式：利用与发射端调制信号同频的时钟作为采样时钟，利用可调延时器件对接收端接收的光信号进行延时处理，进而保证调制信号位置与采样时钟信号对齐；利用高频时钟作为参考时钟信号，通过降频的方式获得需要的采样时钟，进而可以通过对高频时钟进行添加时钟脉冲操作和扣除时钟脉冲操作实现对采样位置的调整。
[0036]
在实现了位同步的基础上，利用同步序列的第三段数据实现发送数据块的帧同步。同步序列的第三段信息加载到强度调制器上的信号服从瑞利分布，加载到相位调制器上的信号服从均匀分布，因此该部分信息与密钥信息满足相同的分布。因此，接收端检测得到的第三段同步信号x分量和p分量均服从高斯分布。统计学意义下，接收端将分别得到调制相干态x分量和p分量信息的一半。尽管如此，利用相关算法依然可以得到很好的相关峰值，进而找到密钥信息在数据块中的位置。为了充分利用第三段同步序列中的x分量和p分量以兼顾信号同步精度和速度，可以将x分量的重复周期设置为p分量的一半，进而利用x分量可以实现快速的帧同步，利用p分量得到可靠的帧同步结果。
[0037]
在上述技术方案中，同步序列中三段数据分别用于实现链路相位噪声补偿、数据位同步和数据帧同步，三段同步序列在一个数据帧中的位置可以互换，将用于帧同步的信号放在最接近密钥信息的位置是推荐的选择，系统工作时三个处理过程将同时进行，相互优化彼此的同步或补偿效果。
[0038]
在上述技术方案中，考虑到加入光纤延时器件或延时芯片将给接收信号带来额外的功率损失，因此通过添加/扣除时钟脉冲的方法实现采样时钟的调整是推荐的方案。
[0039]
在上述技术方案中，将第三段同步序列p分量的重复周期设置为x分量的一半可以获得相同的效果，也可以根据系统需求和特点将两个分量重复周期设置为其他的比例。
[0040]
在上述技术方案中，用于数据帧同步的第三段同步数据采用的x分量和p分量可以采用m序列、gold序列或zc序列等。
[0041]
根据上述连续变量量子密钥分发系统位帧同步方法，利用较简单的同步信号结构和同步算法实现了发送数据的位同步和帧同步。通过相位噪声检测与补偿消除了相位噪声的影响，使系统具有更好的同步效果。同步过程不需要改变高斯调制模块和相干探测模块的结构和工作方式，也不需要进行额外的协商或状态参数传递，具有更好的实用性和安全性。
[0042]
以上所述仅为本发明较佳的实现方式，但本发明的保护范围并不局限于此。在本发明所揭露的技术范围内，任何熟悉本领域的技术人员可轻易想到的变换或替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。