CN109639422B - 一种面向离散型量子密钥分发***的误码协商方法及装置 - Google Patents

一种面向离散型量子密钥分发***的误码协商方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种面向离散型量子密钥分发***的误码协商方法及装置，用于同时提高处理速率和协商效率，属于量子通信技术领域。本发明包括：对数据块D进行置乱处理；对置乱后的数据进行随机抽样，获得抽样数据Ds；利用交互式协商算法对抽样数据Ds纠错译码，利用第一轮奇偶校验位与误码率的关系，得到估计的误码率，并在交互式协商算法第一轮等待交互信息时，前向纠错式协商算法执行初始化工作；前向纠错式协商算法根据估计的误码率进行调整，交互式协商算法对抽样数据完成剩下的多轮纠错译码工作，并在每轮等待交互信息时，前向纠错式协商算法对抽样后剩余的数据译码；对采用交互式协商算法和前向纠错式协商算法的译码结果按置乱前的排序拼接。

Description

一种面向离散型量子密钥分发***的误码协商方法及装置
技术领域
本发明涉及一种误码协商算法，特别涉及一种面向离散型量子密钥分发***的误码协商方法及装置，属于量子通信技术领域。
背景技术
误码协商算法的作用是纠正量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)中筛选码中的错误比特。误码协商是QKD后处理中最受关注的环节。
现有的误码协商算法包括两大类：交互式误码协商算法和前向纠错式误码协商算法；其中Cascade类算法为交互式误码协商算法的代表算法，基于LDPC的误码协商算法为前向纠错式误码协商算法的代表算法。
原始Cascade算法由Brassard等于1993年提出，其方法是在Alice与Bob间执行多轮纠错，先各自进行分组，比对奇偶校验码，不一致的分组采用二分搜索进行纠错，二分搜索过程仅对具有奇数个错误的分组有效。具体参见Brassard G，Salvail L.Secret-keyreconciliation by public discussion[C]，advances in Cryptology—EUROCRYPT’93，1994:410–423。
LDPC码由Gallager在1962年首先提出，并给出了概率迭代译码算法。在众多纠错码算法中，LDPC码由于其性能可以逼近香农限，只需几次交互即可完成误码协商，且译码过程适合并行计算及硬件实现等特点而被引入QKD误码协商中。
交互式误码协商算法，如Cascade类算法，关注如何尽可能地降低暴露信息量，尤其在低误码率时，有很好的协商效率。但是Cascade算法是一种基于交互的误码协商算法，多轮交互必然会导致执行时间偏长，一定程度减缓了误码协商的处理速度。前向纠错式协商算法中典型算法如基于LDPC的误码协商算法，关注于如何在保证低暴露信息量的同时，提高处理速率。虽然LDPC算法不需要长时间等待交互，处理速率较快，但LDPC误码协商算法在低误码率情况下协商效率不是十分优秀，而且LDPC协商算法在处理之前需要提前获得信道的误码率，当误码率有波动的时候，会导致前向纠错式协商算法协商性能表现较差。
发明内容
针对以上介绍的两大类算法的优缺点，本发明提供一种将两类算法结合，可以同时提高处理速率和协商效率的面向离散型量子密钥分发***的误码协商方法。
本发明的面向离散型量子密钥分发***的误码协商方法，所述方法包括：
S1：对数据块D进行置乱处理，使数据块D中的误码分布更加均匀；
S2：对置乱后的数据进行随机抽样，获得抽样数据Ds；
S3：利用交互式协商算法对抽样数据Ds进行纠错译码，利用第一轮奇偶校验位与误码率的关系进行误码估计，得到估计的误码率QBERest，并在交互式协商算法第一轮等待交互信息时，前向纠错式协商算法执行初始化工作；
S4：前向纠错式协商算法根据误码率QBERest进行调整，交互式协商算法对抽样数据Ds完成剩下的多轮纠错译码工作，并在每轮等待交互信息时，前向纠错式协商算法对抽样后剩余的数据译码；
S5：对采用交互式协商算法和前向纠错式协商算法的译码结果按置乱前的排序拼接。
优选的是，S2中，所述抽样数据Ds占数据块D的比例R：
Figure BDA0001955352440000021
其中tL为前向纠错式协商算法的平均处理时间，tC为交互式协商算法平均处理时间这种设计方法主要目的是使两种算法同时完成工作，提高并行吞吐率。
优选的是，S3中，估计的误码率为：
Figure BDA0001955352440000022
其中，errblocknum为第一轮奇偶校验不一致的块数，blocknum为第一轮纠错的总块数，L为每块长度。
本发明还提供一种面向离散型量子密钥分发***的误码协商装置，所述装置包括：
置乱模块，用以对数据块D进行置乱处理，使数据块D中的误码分布更加均匀；
抽样模块，与置乱模块连接，用以对置乱后的数据进行随机抽样，获得抽样数据Ds；
第一轮纠错模块，与抽样模块连接，用以利用交互式协商算法对抽样数据Ds进行纠错译码，利用第一轮奇偶校验位与误码率的关系进行误码估计，得到估计的误码率QBERest，并在交互式协商算法第一轮等待交互信息时，前向纠错式协商算法执行初始化工作；
剩余多轮纠错模块，与抽样模块及第一轮纠错模块连接，用于前向纠错式协商算法根据误码率QBERest进行调整，交互式协商算法对抽样数据Ds完成剩下的多轮纠错译码工作，并在每轮等待交互信息时，前向纠错式协商算法对抽样后剩余的数据译码；
拼接模块，与置乱模块、第一轮纠错模块及剩余多轮纠错模块连接，用以对采用交互式协商算法和前向纠错式协商算法获得的译码结果按置乱前的排序拼接。
优选的是，抽样模块中，所述抽样数据Ds占数据块D的比例R：
Figure BDA0001955352440000031
其中tL为前向纠错式协商算法的平均处理时间，tC为交互式协商算法平均处理时间。
这种设计方法主要目的是使两种算法同时完成工作，提高并行吞吐率。
优选的是，第一轮纠错模块中，估计的误码率为：
Figure BDA0001955352440000032
其中，errblocknum为第一轮奇偶校验不一致的块数，blocknum为第一轮纠错的总块数，L为每块长度。
本发明的有益效果，本发明从协商效率和处理速率两个方面误码协商算法以提升性能。本发明将交互式协商算法与前向纠错式协商算法并行执行，即在等待交互信息的过程中并行的进行前向纠错译码，因此可以明显的提高处理速率。由于交互式协商算法在低误码率的情况下具有更高的协商效率，因此这种误码协商模式可以提高协商效率。而且本发明在前向纠错式协商算法之前估计了误码率，具有一定的自适应性，可以适应误码率波动的信道环境。同时也可以使前向纠错算法性能表现的更好，可能减少译码过程中暴露的信息。因此这种误码协商模式可以提高协商效率。
附图说明
图1为本发明具体实施例的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施方式的面向离散型量子密钥分发***的误码协商方法，包括：
S1：对数据块D进行置乱处理，使数据块D中的误码分布更加均匀，使误码估计更加准确。；
S2：对置乱后的数据进行随机抽样，获得抽样数据Ds；
S3：利用交互式协商算法对抽样数据Ds进行纠错译码，利用第一轮奇偶校验位与误码率的关系进行误码估计，得到估计的误码率QBERest，并在交互式协商算法第一轮等待交互信息时，前向纠错式协商算法执行初始化工作；
前向纠错式协商算法在处理之前需要提前获得信道的误码率，当误码率有波动的时候，可能预测的误码率与当前实际误码率有较大误差，会导致前向纠错式协商算法协商性能表现较差，因此利用交互式协商算法中第一轮纠错译码的校验位来估计当前的误码率，可以保证前向纠错式协商算法的纠错性能，减少额外资源开销，同时也可能减少暴露的信息量；
S4：前向纠错式协商算法根据误码率QBERest进行调整，交互式协商算法对抽样数据Ds完成剩下的多轮纠错译码工作，并在每轮等待交互信息时，前向纠错式协商算法对抽样后剩余的数据译码；交互式协商算法由于需要双方多轮交互信息，减缓了误码协商的处理速度。由于前向纠错式协商算法只需一次交互，所以交互式协商算法与前向纠错式协商算法有很好的并行性，在交互式协商算法等待交互信息时，前向纠错式协商算法可以进行处理，从而提高误码协商的速率；
S5：对采用交互式协商算法和前向纠错式协商算法的译码结果按置乱前的排序拼接。
当前向纠错式协商算法与交互式协商算法处理数据量为1:1时，处理速率可以提高1倍，若要保证两种算法本并行处理同时完成，前向纠错式协商算法与交互式协商算法处理数据量约为4:1，处理速率为原来的1.25倍。此外，由于交互式误码算法在低误码率时较前向纠错式协商算法有更好的协商效率，所以此纠错模式的协商效率会比纯前向纠错式协商算法的协商效率更高。
抽样数据Ds的大小取决于交互式协商算法平均时长与前向纠错式算法的平均处理时长，目的是使两部分数据尽可能同时完成误码协商，优选实施例中，本实施方式S2中，抽样数据Ds占数据块D的比例R：
Figure BDA0001955352440000051
其中tL为前向纠错式协商算法的平均处理时间，tC为交互式协商算法平均处理时间。
这种设计方法主要目的是使两种算法同时完成工作，提高并行吞吐率。
具体实施例：
本实施例交互式协商算法采用Cascade算法，前向纠错式协商算法采用LDPC译码方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤一：对数据块D进行置乱处理，置乱算法采用Arnold置乱算法(Arnold-BasedScrambling Algorithm，简称ABSA)是一种映射变化，这种变换是一一对应的，在变换中不会产生冲突。
步骤二：对置乱后的数据进行随机抽样，抽样数据Ds占数据块D的比例R由式(2)决定：
Figure BDA0001955352440000052
tL为LDPC译码方法的平均处理时间，tC为Cascade算法的平均处理时间；
步骤三：利用交互式协商算法对抽样数据Ds进行纠错译码，利用第一轮奇偶校验位与误码率的关系进行误码估计，得到估计的误码率QBERest，并在Cascade算法第一轮等待交互信息时，LDPC译码方法执行初始化工作；
估计的误码率QBERest为：
Figure BDA0001955352440000053
其中，errblocknum为第一轮奇偶校验不一致的块数，blocknum为第一轮纠错的总块数，L为每块长度。
步骤四：Cascade算法完成剩下的多轮纠错工作，并在每轮等待交互信息时，LDPC译码方法根据误码率QBERest选取合适的矩阵,并行的进行译码；
步骤五：按置乱前的排序对Cascade算法和LDPC译码方法的译码结果拼接。
本发明还提供一种面向离散型量子密钥分发***的误码协商装置，所述装置包括：
置乱模块，用以对数据块D进行置乱处理，使数据块D中的误码分布更加均匀；
抽样模块，与置乱模块连接，用以对置乱后的数据进行随机抽样，获得抽样数据Ds；
第一轮纠错模块，与抽样模块连接，用以利用交互式协商算法对抽样数据Ds进行纠错译码，利用第一轮奇偶校验位与误码率的关系进行误码估计，得到估计的误码率QBERest，并在交互式协商算法第一轮等待交互信息时，前向纠错式协商算法执行初始化工作；
剩余多轮纠错模块，与抽样模块及第一轮纠错模块连接，用于前向纠错式协商算法根据误码率QBERest进行调整，交互式协商算法对抽样数据Ds完成剩下的多轮纠错译码工作，并在每轮等待交互信息时，前向纠错式协商算法对抽样后剩余的数据译码；
拼接模块，与置乱模块、第一轮纠错模块及剩余多轮纠错模块连接，用以对采用交互式协商算法和前向纠错式协商算法获得的译码结果按置乱前的排序拼接。
优选实施例中，抽样模块中，所述抽样数据Ds占数据块D的比例R：
Figure BDA0001955352440000061
其中tL为前向纠错式协商算法的平均处理时间，tC为交互式协商算法平均处理时间。
优选实施例中，第一轮纠错模块中，估计的误码率为：
Figure BDA0001955352440000062
其中，errblocknum为第一轮奇偶校验不一致的块数，blocknum为第一轮纠错的总块数，L为每块长度。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (4)

1.一种面向离散型量子密钥分发***的误码协商方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：对数据块D进行置乱处理，使数据块D中的误码分布更加均匀；
S2：对置乱后的数据进行随机抽样，获得抽样数据Ds；
S3：利用交互式协商算法对抽样数据Ds进行纠错译码，利用第一轮奇偶校验位与误码率的关系进行误码估计，得到估计的误码率QBERest，并在交互式协商算法第一轮等待交互信息时，前向纠错式协商算法执行初始化工作；
估计的误码率为：
Figure FDA0002913616290000011
其中，errblocknum为第一轮奇偶校验不一致的块数，blocknum为第一轮纠错的总块数，L为每块长度；
S4：交互式协商算法对抽样数据Ds完成剩下的多轮纠错译码工作，并在每轮等待交互信息时，前向纠错式协商算法根据误码率QBERest选取合适的矩阵，对抽样后剩余的数据并行的进行译码；
S5：对采用交互式协商算法和前向纠错式协商算法的译码结果按置乱前的排序拼接。
2.根据权利要求1所述的一种面向离散型量子密钥分发***的误码协商方法，其特征在于，S2中，所述抽样数据Ds占数据块D的比例R：
Figure FDA0002913616290000012
其中tL为前向纠错式协商算法的平均处理时间，tC为交互式协商算法平均处理时间。
3.一种面向离散型量子密钥分发***的误码协商装置，其特征在于，所述装置包括：
置乱模块，用以对数据块D进行置乱处理，使数据块D中的误码分布更加均匀；
抽样模块，与置乱模块连接，用以对置乱后的数据进行随机抽样，获得抽样数据Ds；
第一轮纠错模块，与抽样模块连接，用以利用交互式协商算法对抽样数据Ds进行纠错译码，利用第一轮奇偶校验位与误码率的关系进行误码估计，得到估计的误码率QBERest，并在交互式协商算法第一轮等待交互信息时，前向纠错式协商算法执行初始化工作；
估计的误码率为：
Figure FDA0002913616290000021
其中，errblocknum为第一轮奇偶校验不一致的块数，blocknum为第一轮纠错的总块数，L为每块长度；
剩余多轮纠错模块，与抽样模块及第一轮纠错模块连接，用于交互式协商算法对抽样数据Ds完成剩下的多轮纠错译码工作，并在每轮等待交互信息时，前向纠错式协商算法根据误码率QBERest选取合适的矩阵，对抽样后剩余的数据并行的进行译码；
拼接模块，与置乱模块、第一轮纠错模块及剩余多轮纠错模块连接，用以对采用交互式协商算法和前向纠错式协商算法获得的译码结果按置乱前的排序拼接。
4.根据权利要求3所述的一种面向离散型量子密钥分发***的误码协商装置，其特征在于，抽样模块中，所述抽样数据Ds占数据块D的比例R：
Figure FDA0002913616290000022
其中tL为前向纠错式协商算法的平均处理时间，tC为交互式协商算法平均处理时间。
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