CN111786681A - 一种适用于cv-qkd***数据后处理的级联译码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通信安全领域，本发明公开了一种适用于CV‑QKD***数据后处理的级联译码方法，采用长码长编码与中短码长编码相结合的方式，首先利用长码长编码纠错，以在较少的迭代次数内快速将错误数量降低到预设门限值内，然后减小纠错编码的长度，对所有的比特进行重新分组并基于校验函数对收发双方分组的码字进行校验，对校验结果不一致的码字分组，采用中短码长编码纠错，最终纠正所有的错误，完成译码。本发明充分结合了不同码长编码技术的优势，在保障纠错成功率的同时还提升了纠错速率，从而保证了CV‑QKD***的整体性能。

Description

一种适用于CV-QKD***数据后处理的级联译码方法
技术领域
本发明涉及通信安全技术领域，尤其涉及一种适用于CV-QKD***数据后处理的级联译码方法。
背景技术
随着量子计算技术的发展，基于计算复杂度的经典密码体系面临重大的安全隐患。量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)是一种基于量子物理原理的密钥分发***，具有无条件安全性，引起了广泛的关注与研究。连续变量量子密钥分发(ContinuousVariable Quantum Key Distribution,CV-QKD)采用光场的正交分量作为信息的载体，大部分器件与经典相干光通信通用，与传统光通信网络兼容性好，具有良好的发展前景。当前的CV-QKD***主要基于GG02协议实现，即高斯调制相干态传输协议，***发送端通过对量子态光信号的两个正交分量进行调制来完成高斯随机变量密钥信息的加载。
对于CV-QKD***，微弱量子信号经过长距离光纤传输后，信噪比非常低，导致密钥分发的发送方和接收方的原始数据误码率非常高，必须通过数据后处理才能获得一致的密钥。后处理的速率和效率将极大影响CV-QKD***的整体性能，是目前CV-QKD***的主要瓶颈，其中又以极低信噪比下的数据协商纠错最为关键。
在CV-QKD***中，信息承载在连续变量上，合法的通信双方通过数据筛选后得到的也是连续变量，而不是二进制比特。因此，通常先通过数据协商算法，将连续变量转化为离散形式，然后再基于离散形式的数据通过采用特定的信道编码来进行误码纠错，使通信双方的比特序列达到一致。
目前一般采用多维协商算法将连续变量转化为离散形式的数据，多维协商算法并没有像传统的做法首先将连续变量数据量化成离散值进行纠错，而是直接使用连续变量进行协商。多维协商的核心思想是将非均匀的高斯分布的变量空间，通过映射，转化为均匀分布的变量空间，并且在这个均匀分布的空间中，选择先验概率均匀分布的码字子空间。这样，随机变量和码字分布都是均匀分布，当共享密钥双方传输关于码字的边信息时，无法得到额外的相关信息量，同时能够充分利用原始数据之间的相关性，可以较为理想地解决数据离散化问题。
而在离散形式数据的纠错阶段，由于数据信噪比极低，传统的信道编码技术已经不再适用，现有的CV-QKD***中一般采用多边型低密度奇偶校验(LowDensityParityCheck，LDPC)进行纠错编码。多边型LDPC码于2004年首次被提出，在各种传输长度和码率下都有很好的纠错性能。在CV-QKD***中，一方面通过设计码率较低的多边型LDPC纠错矩阵，可以保障数据协调效率，进而保障***安全码率；另一方面通过提升多边型LDPC矩阵的纠错码长，可以综合获取更多的码字信息，从而提升纠错成功率。
CV-QKD***的整体流程如图1所示。首先发送端基于信号发送模块将量子信号光经量子信道发送至接收端，接收端基于信号接收模块对量子信号光进行探测接收。然后发送端和接收端进入到数据后处理阶段，通过在经典信道进行部分数据交互完成数据后处理，从而使发送端和接收端获取一致的最终密钥。最后发送端和接收端分别将最终密钥输出到各自的密钥应用服务模块，进行后续的密钥存储、信息加密等。
其中，数据后处理是CV-QKD的关键步骤，当前的数据后处理流程如图2所示，主要包括基比对、参数估计、数据协商、误码纠错和私钥放大等几个步骤：
基比对：首先接收端将信号探测时采用的测量基数据Base通过经典信道发送给发送端，发送端接收到测量基数据Base，以后依据Base选择出一致的正交分量，基比对之后发送端和接收端就分别获取了原始数据x和y。
参数估计：然后发送端和接收端需要进行参数估计以计算密钥分发过程中的部分关键参数，参数估计可以在发送端或接收端进行。图2中以在接收端进行参数估计为例，发送端首先从原始数据x中随机挑选一部分数据x_para，然后将x_para以及相应的数据位置pos发送给接收端，接收端接收到以后依据pos从y挑选出相应位置的数据，再结合x_para进行参数估计，计算出信噪比SNR、过噪声ξ及安全码率k等参数，并通过经典信道将参数估计结果发送给发送端。由于用于参数估计的数据在经典信道上暴露过，发送端和接收端需要将各自用于参数估计的数据剔除掉，分别产生数据x1和y1进入到后续的数据协商步骤中。
数据协商：发送端和接收端通过一定的协商算法(包括但不限于多维协商、sliced协商)，将连续数据转化为离散数据。数据协商可以由发送端或接收端发起，图2中是以接收端发起为例，也称为反向协调(由发送端发起则成为正向协调)，目前一般采用多维协商算法来实现。接收端首先产生与y1等长的二进制随机序列U，然后基于多维协商算法计算出分组模长Mod和球面坐标α，并通过经典信道发送给发送端。发送端接收到Mod和α后，基于多维协商算法，结合x1计算出数据V，数据V可等效为随机序列U的BPSK编码符号与噪声叠加后的数据。经过数据协商后就完成了从连续变量数据向离散形式数据的转化，可以进行误码纠错。
误码纠错：误码纠错的发起方与数据协商时的一致，因此图2中是从接收端发起的，目前一般采用多边型LDPC码(也可以为turbo码等)进行纠错译码。接收端基于多边型LDPC纠错矩阵和随机序列U计算出校验子s，并通过经典信道发送给发送端。发送端接收到s后，基于s和纠错矩阵对手中的V进行译码纠错，通过不断的迭代译码，使错误数量逐渐减少至0，最终得到与接收端一致的比特序列U。
私钥放大：发送端和接收端根据参数估计中计算出来的安全码率k对比特序列进行压缩处理，最终得到一致的最终安全密钥。
其中的数据协商和误码纠错对于CV-QKD***的性能极为重要，当前采用多维数据协调算法已经可以较好地解决数据协商问题，但是纠错过程中普遍采用的多边型LDPC纠错译码技术存在一定的缺陷。在多边型LDPC码纠错译码过程中，往往采用单一长码长编码进行译码，其在译码初始阶段误码数量下降极快，然而当误码数量小于一定门限值后，其下降速度迅速变慢，最后少数误码需要经过很多次反复迭代后才能纠错成功，甚至出现经过多次迭代后仍然无法纠错的情况，将显著降低纠错译码速率，从而显著影响CV-QKD***的整体性能。
发明内容
针对当前CV-QKD***数据后处理中，利用多边型LDPC码纠错时出现的迭代过程中因少数误码而导致的迭代次数显著增加，以及规定迭代次数内纠错译码失败的问题，本发明提出一种适用于CV-QKD***数据后处理的级联译码方法，相较于已有的单纯利用多边型LDPC码译码纠错的方案，本发明所提出的级联译码方案充分结合了不同码长编码技术的优势，首先利用长码长编码在较少的迭代次数内纠正绝大多数错误，然后减小纠错编码的长度，针对仍然有错的码字分组采用更合适的中短码长编码纠错，从而保障了纠错成功率，同时还提升了纠错速率。
本发明的一种适用于CV-QKD***数据后处理的级联译码方法，采用长码长编码与中短码长编码相结合的方式，首先利用长码长编码纠错，以在较少的迭代次数内快速将错误数量降低到预设门限值内，然后减小纠错编码的长度，对所有的比特进行重新分组并基于校验函数对收发双方分组的码字进行校验，对校验结果不一致的码字分组，采用中短码长编码纠错，最终纠正所有的错误，完成译码。
进一步的，所述利用长码长编码纠错包括以下步骤：
针对经过基比对、参数估计和多维协商后发送端以及接收端的离散形式数据V和U，以较长的码长L1进行码字分组，发送端得到V1,V2,...,VN，接收端得到U1,U2,...,UN，其中N＝L/L1，L为发送端以及接收端数据的总长度；
对于码字分组Vi和Ui，i＝1,2,3,...,N，在反向协调的情况下，发送端和接收端选择一种适合于长码长的纠错编码技术，所述纠错编码技术包括多边型低密度奇偶校验；然后接收端基于码字分组Ui和纠错矩阵H，计算当前码字分组的校验子si并发送给发送端。
进一步的，所述将错误数量降低到预设门限值内包括以下步骤：
发送端接收到当前码字分组的校验子si后，首先依据多维协商后得到的初始化似然比统计初始的错误数目Err0，然后基于码字分组Vi、纠错矩阵H和校验子si开始BP迭代译码；每经过固定轮数的迭代译码后，统计剩余错误数目，当错误数目低于预设门限值时，停止译码；停止译码后，发送端得到一个临时码字Wi，若剩余错误数目为0，则Wi与Ui是一致的；若剩余错误数目不为0，则Wi与Ui是不一致的，需要进行后续级联译码。
进一步的，所述减小纠错编码的长度，对所有的比特进行重新分组，包括以下步骤：
发送端和接收端将全部剩余错误数目不为0的码字分组合并为序列W’和U’，序列长度为L’，以较短的码长L2重新进行码字分组，发送端得到V1,V2,...,VM，接收端得到U1,U2,...,UM，其中M＝L’/L2。
进一步的，所述基于校验函数对收发双方分组的码字进行校验，对校验结果不一致的码字分组，采用中短码长编码纠错，包括以下步骤：
对于重新分组后的码字分组Vj和Uj，j＝1,2,3,...,M，接收端计算码字分组Uj的校验函数值cj，并将cj发送给发送端；发送端选择相同的校验函数计算码字分组Vj的结果tj；
发送端判定tj与cj是否相等，如果相等，则说明发送端得到的临时码字Wj与Uj一致，不需要进行第二级纠错译码；如果不相等，则说明Wj与Uj不一致，发送端和接收端选择一种中短码长编码进行第二级纠错译码，最终发送端得到与接收端一致的码字Uj。
进一步的，所述基比对包括以下步骤：
接收端将信号探测时采用的测量基数据Base通过经典信道发送给发送端，发送端接收到测量基数据Base以后，依据测量基数据Base选择出一致的正交分量，获取原始数据x和y。
进一步的，所述参数估计能够在发送端或接收端进行，若在接收端进行，则所述参数估计包括以下步骤：
发送端首先从原始数据x中随机挑选一部分数据x_para，然后将x_para以及相应的数据位置pos发送给接收端，接收端接收到以后依据数据位置pos从原始数据y中挑选出相应位置的数据，再结合x_para进行参数估计，计算出关键参数，包括信噪比SNR、过噪声ξ及安全码率k等，并通过经典信道将参数估计结果发送给发送端；发送端和接收端将各自用于参数估计的数据剔除掉，分别产生数据x1和y1。
进一步的，所述多维协商能够由发送端或接收端发起，若由接收端发起，则所述多维协商包括以下步骤：
接收端首先产生与数据y1等长的二进制随机序列U，然后基于多维协商算法计算出分组模长Mod和球面坐标α，并通过经典信道发送给发送端；发送端接收到Mod和α后，基于多维协商算法，结合数据x1计算出数据V，数据V可等效为随机序列U的BPSK编码符号与噪声叠加后的数据。
进一步的，所述中短码长编码包括BCH码和RS码。
进一步的，所述校验函数包括循环冗余校验CRC和哈希函数校验。
本发明的有益效果在于：
本发明所提出的级联译码方法首先利用长码长编码在较少的迭代次数内纠正绝大多数错误，然后减小纠错编码的长度，针对仍然有错的码字分组采用更合适的中短码长编码纠错，充分结合了不同码长编码技术的优势，在保障纠错成功率的同时还提升了纠错速率，从而保证了CV-QKD***的整体性能。
附图说明
图1是CV-QKD***整体流程图；
图2是CV-QKD***数据后处理流程图；
图3是本发明的级联译码方法流程图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做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。
本实施例提供了一种适用于CV-QKD***数据后处理的级联译码方法，采用长码长编码与中短码长编码相结合的方式，首先利用长码长编码纠错，以在较少的迭代次数内快速将错误数量降低到预设门限值内，然后减小纠错编码的长度，对所有的比特进行重新分组并基于校验函数对收发双方分组的码字进行校验，对校验结果不一致的码字分组，采用中短码长编码纠错，最终纠正所有的错误，完成译码。这样充分结合了不同码长编码技术的优势，在保障纠错成功率的同时还提升了纠错速率，从而保证了CV-QKD***的整体性能。
在本发明的一个优选实施例中，如图3所示，级联译码方法的具体步骤为：
步骤一、针对经过基比对、参数估计和多维协商后发送端以及接收端的离散形式数据V和U，以较长的码长L1进行码字分组，发送端得到V1,V2,...,VN，接收端得到U1,U2,...,UN，其中N＝L/L1，L为发送端以及接收端数据的总长度；
对于码字分组Vi和Ui，i＝1,2,3,...,N，在反向协调的情况下，发送端和接收端选择一种适合于长码长的纠错编码技术Code1，包括但不限于多边型LDPC码；然后接收端基于码字分组Ui和纠错矩阵H，计算当前码字分组的校验子si并发送给发送端；
步骤二、发送端接收到当前码字分组的校验子si后，首先依据多维协商后得到的初始化似然比统计初始的错误数目Err0，然后基于码字分组Vi、纠错矩阵H和校验子si开始BP迭代译码；每经过固定轮数的迭代译码后，统计剩余错误数目，当错误数目低于预设门限值(例如0.1*Err0)时，停止译码，其中预设门限值的具体选取与CV-QKD***的整体参数设置有关；停止译码后，发送端得到一个临时码字Wi，若剩余错误数目为0，则Wi与Ui是一致的；若剩余错误数目不为0，则Wi与Ui是不一致的，需要进行后续级联译码；
步骤三、发送端和接收端将全部剩余错误数目不为0的码字分组合并为序列W’和U’，序列长度为L’，以较短的码长L2重新进行码字分组，发送端得到V1,V2,...,VM，接收端得到U1,U2,...,UM，其中M＝L’/L2；
对于重新分组后的码字分组Vj和Uj，j＝1,2,3,...,M，接收端计算码字分组Uj的校验函数值cj，并将cj发送给发送端，其中校验函数包括但不限于CRC32、AES、MD5；发送端选择相同的校验函数计算码字分组Vj的结果tj；
步骤四、发送端判定tj与cj是否相等，如果相等，则说明发送端得到的临时码字Wj与Uj一致，不需要进行第二级纠错译码；如果不相等，则说明Wj与Uj不一致，发送端和接收端选择一种中短码长编码Code2进行第二级纠错译码，中短码长编码包括但不限于BCH码、RS码等，由于经过Code1的纠错后，剩余的错误数量较少，因此第二级纠错译码可以很容易实现，最终发送端得到与接收端一致的码字Uj。
当所有的码字分组都执行完毕后，发送端和接收端就拥有了完全一致的码字数据，实现了整体的纠错译码。
在本发明的一个优选实施例中，基比对包括以下步骤：
接收端将信号探测时采用的测量基数据Base通过经典信道发送给发送端，发送端接收到测量基数据Base以后，依据测量基数据Base选择出一致的正交分量，获取原始数据x和y。
在本发明的一个优选实施例中，参数估计能够在发送端或接收端进行，若在接收端进行，则参数估计包括以下步骤：
发送端首先从原始数据x中随机挑选一部分数据x_para，然后将x_para以及相应的数据位置pos发送给接收端，接收端接收到以后依据数据位置pos从原始数据y中挑选出相应位置的数据，再结合x_para进行参数估计，计算出关键参数，包括信噪比SNR、过噪声ξ及安全码率k等，并通过经典信道将参数估计结果发送给发送端；由于用于参数估计的数据在经典信道上暴露过，发送端和接收端需将各自用于参数估计的数据剔除掉，分别产生数据x1和y1。
在本发明的一个优选实施例中，多维协商能够由发送端或接收端发起，若由接收端发起，则多维协商包括以下步骤：
接收端首先产生与数据y1等长的二进制随机序列U，然后基于多维协商算法计算出分组模长Mod和球面坐标α，并通过经典信道发送给发送端；发送端接收到Mod和α后，基于多维协商算法，结合数据x1计算出数据V，数据V可等效为随机序列U的BPSK编码符号与噪声叠加后的数据。经过多维协商后就完成了从连续变量数据向离散形式数据的转化，可以进行误码纠错。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种适用于CV-QKD***数据后处理的级联译码方法，其特征在于，采用长码长编码与中短码长编码相结合的方式，首先利用长码长编码纠错，以在较少的迭代次数内快速将错误数量降低到预设门限值内，然后减小纠错编码的长度，对所有的比特进行重新分组并基于校验函数对收发双方分组的码字进行校验，对校验结果不一致的码字分组，采用中短码长编码纠错，最终纠正所有的错误，完成译码。
2.根据权利要求1所述的一种适用于CV-QKD***数据后处理的级联译码方法，其特征在于，所述利用长码长编码纠错包括以下步骤：
针对经过基比对、参数估计和多维协商后发送端和接收端的离散形式数据V和U，以较长的码长L1进行码字分组，发送端得到V1,V2,...,VN，接收端得到U1,U2,...,UN，其中N＝L/L1，L为发送端以及接收端数据的总长度；
对于码字分组Vi和Ui，i＝1,2,3,...,N，在反向协调的情况下，发送端和接收端首先选择一种适合于长码长的纠错编码技术，所述纠错编码技术包括多边型低密度奇偶校验；然后接收端基于码字分组Ui和纠错矩阵H，计算当前码字分组的校验子si并发送给发送端。
3.根据权利要求2所述的一种适用于CV-QKD***数据后处理的级联译码方法，其特征在于，所述将错误数量降低到预设门限值内包括以下步骤：
发送端接收到当前码字分组的校验子si后，首先依据多维协商后得到的初始化似然比统计初始的错误数目Err0，然后基于码字分组Vi、纠错矩阵H和校验子si开始BP迭代译码；每经过固定轮数的迭代译码后，统计剩余错误数目，当错误数目低于预设门限值时，停止译码；停止译码后，发送端得到一个临时码字Wi，若剩余错误数目为0，则Wi与Ui是一致的；若剩余错误数目不为0，则Wi与Ui是不一致的，需要进行后续级联译码。
4.根据权利要求3所述的一种适用于CV-QKD***数据后处理的级联译码方法，其特征在于，所述减小纠错编码的长度，对所有的比特进行重新分组，包括以下步骤：
发送端和接收端将全部剩余错误数目不为0的码字分组合并为序列W’和U’，序列长度为L’，以较短的码长L2重新进行码字分组，发送端得到V1,V2,...,VM，接收端得到U1,U2,...,UM，其中M＝L’/L2。
5.根据权利要求4所述的一种适用于CV-QKD***数据后处理的级联译码方法，其特征在于，所述基于校验函数对收发双方分组的码字进行校验，对校验结果不一致的码字分组，采用中短码长编码纠错，包括以下步骤：
对于重新分组后的码字分组Vj和Uj，j＝1,2,3,...,M，接收端计算码字分组Uj的校验函数值cj，并将cj发送给发送端；发送端选择相同的校验函数计算码字分组Vj的结果tj；
发送端判定tj与cj是否相等，如果相等，则说明发送端得到的临时码字Wj与Uj一致，不需要进行第二级纠错译码；如果不相等，则说明Wj与Uj不一致，发送端和接收端选择一种中短码长编码进行第二级纠错译码，最终发送端得到与接收端一致的码字Uj。
6.根据权利要求2所述的一种适用于CV-QKD***数据后处理的级联译码方法，其特征在于，所述基比对包括以下步骤：
接收端将信号探测时采用的测量基数据Base通过经典信道发送给发送端，发送端接收到测量基数据Base以后，依据测量基数据Base选择出一致的正交分量，获取原始数据x和y。
7.根据权利要求6所述的一种适用于CV-QKD***数据后处理的级联译码方法，其特征在于，所述参数估计能够在发送端或接收端进行，若在发送端进行，则所述参数估计包括以下步骤：
发送端首先从原始数据x中随机挑选一部分数据x_para，然后将x_para以及相应的数据位置pos发送给接收端，接收端接收到以后依据数据位置pos从原始数据y中挑选出相应位置的数据，再结合x_para进行参数估计，计算出关键参数，包括信噪比SNR、过噪声ξ及安全码率k等，并通过经典信道将参数估计结果发送给发送端；发送端和接收端将各自用于参数估计的数据剔除掉，分别产生数据x1和y1。
8.根据权利要求7所述的一种适用于CV-QKD***数据后处理的级联译码方法，其特征在于，所述多维协商能够由发送端或接收端发起，若由接收端发起，则所述多维协商包括以下步骤：
接收端首先产生与数据y1等长的二进制随机序列U，然后基于多维协商算法计算出分组模长Mod和球面坐标α，并通过经典信道发送给发送端；发送端接收到Mod和α后，基于多维协商算法，结合数据x1计算出数据V，数据V可等效为随机序列U的BPSK编码符号与噪声叠加后的数据。
9.根据权利要求1所述的一种适用于CV-QKD***数据后处理的级联译码方法，其特征在于，所述中短码长编码包括BCH码和RS码。
10.根据权利要求1所述的一种适用于CV-QKD***数据后处理的级联译码方法，其特征在于，所述校验函数包括循环冗余校验CRC和哈希函数校验。
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