CN112491547A - 基于空间分集分时选通的大气湍流光信道共享随机比特提取*** - Google Patents

基于空间分集分时选通的大气湍流光信道共享随机比特提取*** Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于空间分集分时选通的大气湍流光信道共享随机比特提取***。本发明通过使用分时选通来随机改变激光器发射的激光信号到达光电探测器所经过的空间分集子信道，实现对空间分集不同子信道的随机切换测量；通过对空间分集不同子信道进行随机切换测量，可以使接收光信号采样操作在用比大气湍流光信号衰落自相关时间长度更小的采样时间间隔条件下，也能确保连续的两次采样测量获得的接收光信号采样值近似统计无关。因此，在通过减小计算机采集***的采样时间间隔来提高随机比特提取速率时，使用本发明可以减轻对提取的比特序列的随机性的损害。

Description

基于空间分集分时选通的大气湍流光信道共享随机比特提取 ***
技术领域
本发明属于信息安全技术领域，涉及一种基于空间分集分时选通的大气湍流光信道共享随机比特提取***。
背景技术
申请号为201911247093.7的一件中国发明专利公开了一种基于频谱域的大气湍流光信道共享随机比特提取方法。该发明专利的说明书的背景技术部分提及，通常情况下，为了保证提取的比特序列具有良好的随机性，要求连续的两次采样测量的时间间隔大于随机光信号衰落的自相关时间长度。申请号为201911247093.7的中国发明专利先把连续采集得到的随机光信号衰落时域数据变换到频谱域，然后再对各个频谱分量进行阈值化处理，以提取随机比特；该方法可以改善提取的比特序列的随机性。然而，经变换得到的频谱分量幅度的统计均值随频率的增加而明显减小。另一方面，一般情况下，探测器输出噪声的频谱分量幅值的统计均值随频率的增加而减小的速度相对较慢。这导致经变换得到的高频分量的信噪比会较低，造成信道两端提取的比特序列的不一致率增加。发表在《IEEETransactions on Wireless Communications》2007年6卷8期上的论文“BER Performanceof Free-Space Optical Transmission with Spatial Diversity”讨论了用多发多收的空间分集(Spatial Diversity)手段来抑制大气湍流对自由空间光通信误码率性能影响的效果。空间分集中的不同子信道之间的相关性通常较低。实际上，如果各个收发器之间的间距足够大，子信道之间的相关性通常可以忽略。
在测量单个子信道的接收光信号时，如果采样时间间隔不足够大，测量得到的连续的两个采样值之间可能会存在较强相关性。但如果在不同子信道之间进行切换测量，例如对于有n个子信道的情形，在第1个采样时刻对第1个子信道接收光信号进行测量得到采样值1，在第2个采样时刻对第2个子信道接收光信号进行测量得到采样值2，以此类推，在第n个采样时刻对第n个子信道接收光信号进行测量得到采样值n，然后在第n+1个采样时刻再对第1个子信道接收光信号进行测量得到采样值n+1，如此类推循环下去，则得到的采样值序列的两个相邻采样值之间的相关性会明显小于简单地测量单个子信道获得的采样值序列的两个相邻采样值之间的相关性。因此，对空间分集不同子信道进行切换测量获得的接收光信号采样值序列更有利于确保从大气湍流光信道提取的比特序列的随机性。换句话说，通过对空间分集不同子信道进行切换测量，可以保证光电探测操作在使用比大气湍流光信号衰落自相关时间长度更小的采样时间间隔条件下，也可确保连续的两次采样测量获得的接收光信号采样值近似统计无关。利用这一特性，可以在不明显损害比特序列随机性的条件下，通过减小采样时间间隔来提高随机比特提取速率。本发明把对空间分集不同子信道进行切换的操作称为分时选通。本发明公开一种基于空间分集分时选通的大气湍流光信道共享随机比特提取***，可以支持上述切换测量操作并提取共享随机比特序列。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于空间分集分时选通的大气湍流光信道共享随机比特提取***，以便可以通过使用比大气湍流光信号衰落自相关时间长度更小的采样时间间隔来提高从受大气湍流扰动的光信道提取共享随机比特的速率。
本发明公开了一种基于空间分集分时选通的大气湍流光信道共享随机比特提取***，包括第一空间分集端机、第二空间分集端机以及大气湍流信道，第一空间分集端机和第二空间分集端机分别对从对方发来的经大气湍流信道传输后的激光信号进行接收、探测和采样，并根据获得的采样值提取随机比特。
如图1所示，所述第一空间分集端机和所述第二空间分集端机通过大气湍流信道把各自发射的光信号传送给对方。所述第一空间分集端机在大气湍流信道的左端，所述第二空间分集端机在大气湍流信道的右端。所述第一空间分集端机包括第一激光器(100)、第一光纤环行器(101)、1×N光开关(102)、第一左端收发器(103)、第二左端收发器(104)、第N左端收发器(105)、第一光开关选通控制模块(106)、第一计算机采集***(107)、第一光电探测器(108)。所述第二空间分集端机包括第二激光器(200)、第二光纤环行器(201)、1×M光开关(202)、第一右端收发器(203)、第二右端收发器(204)、第M右端收发器(205)、第二光开关选通控制模块(206)、第二计算机采集***(207)、第二光电探测器(208)。
所述第一激光器(100)的激光输出端口通过单模光纤连到所述第一光纤环行器(101)的第一端口，所述第一光纤环行器(101)的第二端口通过单模光纤连到所述1×N光开关(102)的零号光端口，所述1×N光开关(102)的一号光端口通过单模光纤与所述第一左端收发器(103)相连，所述1×N光开关(102)的二号光端口通过单模光纤与所述第二左端收发器(104)相连，以此类推，所述1×N光开关(102)的N号光端口通过单模光纤与所述第N左端收发器(105)相连；所述第一光开关选通控制模块(106)的控制信号输出端口通过信号线与所述1×N光开关(102)的选通控制端口相连。1×N光开关(102)的各个端口如图2所示。
所述第二激光器(200)的激光输出端口通过单模光纤连到所述第二光纤环行器(201)的第一端口，所述第二光纤环行器(201)的第二端口通过单模光纤连到所述1×M光开关(202)的零号光端口，所述1×M光开关(202)的一号光端口通过单模光纤与所述第一右端收发器(203)相连，所述1×M光开关(202)的二号光端口通过单模光纤与所述第二右端收发器(204)相连，以此类推，所述1×M光开关(202)的M号光端口通过单模光纤与所述第M右端收发器(205)相连；所述第二光开关选通控制模块(206)的控制信号输出端口通过信号线与所述1×M光开关(202)的选通控制端口相连。1×M光开关(202)的各个端口如图3所示。
所述第一激光器(100)发射的激光信号从所述第一光纤环行器(101)的第一端口进入所述第一光纤环行器(101)，并从所述第一光纤环行器(101)的第二端口出射后再到达所述1×N光开关(102)，最后经过与所述1×N光开关(102)的零号光端口相连通的光端口对应的所述左端收发器进入大气湍流信道；从所述第一激光器(100)发射的激光信号经过大气湍流信道到达所述第二空间分集端机后，所述第二空间分集端机的所述第一右端收发器(203)、所述第二右端收发器(204)、以此类推到所述第M右端收发器(205)都接收到一部分激光信号；只有与所述1×M光开关(202)的零号光端口相连通的光端口对应的所述右端收发器接收到的激光信号才能经过所述1×M光开关(202)进入所述第二光纤环行器(201)的第二端口，并从所述第二光纤环行器(201)的第三端口出射；从所述第二光纤环行器(201)的第三端口出射的激光信号经过单模光纤入射到所述第二光电探测器(208)上；所述第二光电探测器(208)输出的电信号通过信号线传送给所述第二计算机采集***(207)，所述第二计算机采集***(207)对所述第二光电探测器(208)输出的电信号进行采样和量化，并把采样值保存在存储器中。
所述第二激光器(200)发射的激光信号从所述第二光纤环行器(201)的第一端口进入所述第二光纤环行器(201)，并从所述第二光纤环行器(201)的第二端口出射后再到达所述1×M光开关(202)，最后经过与所述1×M光开关(202)的零号光端口相连通的光端口对应的所述右端收发器进入大气湍流信道；从所述第二激光器(200)发射的激光信号经过大气湍流信道到达所述第一空间分集端机后，所述第一空间分集端机的所述第一左端收发器(103)、所述第二左端收发器(104)、以此类推到所述第N左端收发器(105)都接收到一部分激光信号；只有与所述1×N光开关(102)的零号光端口相连通的光端口对应的所述左端收发器接收到的激光信号才能经过所述1×N光开关(102)进入所述第一光纤环行器(101)的第二端口，并从所述第一光纤环行器(101)的第三端口出射；从所述第一光纤环行器(101)的第三端口出射的激光信号经过单模光纤入射到所述第一光电探测器(108)上；所述第一光电探测器(108)输出的电信号通过信号线传送给所述第一计算机采集***(107)，所述第一计算机采集***(107)对所述第一光电探测器(108)输出的电信号进行采样和量化，并把采样值保存在存储器中。
所述第一光开关选通控制模块(106)每隔时间间隔δt就通过改变输出控制信号来对所述1×N光开关(102)的光端口连通方式作一次改变，具体改变方式是，在当前与所述1×N光开关(102)的零号光端口不连通的其他N-1个所述1×N光开关(102)的光端口中，按等概率方式随机选择一个光端口，并使所述1×N光开关(102)的这个被选择的光端口与所述1×N光开关(102)的零号光端口相连通。
所述第二光开关选通控制模块(206)每隔时间间隔δt就通过改变输出控制信号来对所述1×M光开关(202)的光端口连通方式作一次改变，具体改变方式是，在当前与所述1×M光开关(202)的零号光端口不连通的其他M-1个所述1×M光开关(202)的光端口中，按等概率方式随机选择一个光端口，并使所述1×M光开关(202)的这个被选择的光端口与所述1×M光开关(202)的零号光端口相连通。
如果与所述1×N光开关(102)的零号光端口相连通的光端口是所述1×N光开关(102)的一号光端口，则与所述1×N光开关(102)的零号光端口相连通的光端口对应的所述左端收发器是指所述第一左端收发器(103)；如果与所述1×N光开关(102)的零号光端口相连通的光端口是所述1×N光开关(102)的二号光端口，则与所述1×N光开关(102)的零号光端口相连通的光端口对应的所述左端收发器是指所述第二左端收发器(104)；以此类推，如果与所述1×N光开关(102)的零号光端口相连通的光端口是所述1×N光开关(102)的N号光端口，则与所述1×N光开关(102)的零号光端口相连通的光端口对应的所述左端收发器是指所述第N左端收发器(105)。
如果与所述1×M光开关(202)的零号光端口相连通的光端口是所述1×M光开关(202)的一号光端口，则与所述1×M光开关(202)的零号光端口相连通的光端口对应的所述右端收发器是指所述第一右端收发器(203)；如果与所述1×M光开关(202)的零号光端口相连通的光端口是所述1×M光开关(202)的二号光端口，则与所述1×M光开关(202)的零号光端口相连通的光端口对应的所述右端收发器是指所述第二右端收发器(204)；以此类推，如果与所述1×M光开关(202)的零号光端口相连通的光端口是所述1×M光开关(202)的M号光端口，则与所述1×M光开关(202)的零号光端口相连通的光端口对应的所述右端收发器是指所述第M右端收发器(205)。
获得接收光信号的采样值并提取随机比特需要执行操作S1、操作S2和操作S3。
S1：在从时刻tb到时刻te的时间段内，所述第一计算机采集***(107)每隔时间间隔δs就对所述第一光电探测器(108)输出的电信号进行一次采样和量化，并把每次执行采样和量化操作得到的采样值保存在所述第一计算机采集***(107)的存储器中，形成第一采样值序列；在从时刻tb到时刻te的时间段内，所述第二计算机采集***(207)每隔时间间隔δs就对所述第二光电探测器(208)输出的电信号进行一次采样和量化，并把每次执行采样和量化操作得到的采样值保存在所述第二计算机采集***(207)的存储器中，形成第二采样值序列。
S2：所述第一计算机采集***(107)从所述第一采样值序列中提取NUM个比特，所述第二计算机采集***(207)从所述第二采样值序列中提取NUM个比特，NUM表示所述第一采样值序列包含的采样值个数，所述第一采样值序列包含的采样值个数等于所述第二采样值序列包含的采样值个数；把所述第一采样值序列的每个采样值当作一个随机观测值，在所述第一计算机采集***(107)中计算所述第一采样值序列的采样值的经验累积分布函数F1(x)，并计算
Figure BDA0002813371610000041
把Tx1作为判决阈值用于提取随机比特序列；针对所述第一采样值序列的第i个采样值，i＝1,2,3,…,NUM，如果所述第一采样值序列的第i个采样值大于Tx1，则所述第一计算机采集***(107)从所述第一采样值序列中提取的第i个比特为1，否则所述第一计算机采集***(107)从所述第一采样值序列中提取的第i个比特为0；把所述第二采样值序列的每个采样值当作一个随机观测值，在所述第二计算机采集***(207)中计算所述第二采样值序列的采样值的经验累积分布函数F2(x)，并计算
Figure BDA0002813371610000042
把Tx2作为判决阈值用于提取随机比特序列；针对所述第二采样值序列的第j个采样值，j＝1,2,3,…,NUM，如果所述第二采样值序列的第j个采样值大于Tx2，则所述第二计算机采集***(207)从所述第二采样值序列中提取的第j个比特为1，否则所述第二计算机采集***(207)从所述第二采样值序列中提取的第j个比特为0。
S3：利用量子密钥分配后处理中的误码估计、密钥协商、错误校验技术纠正所述第一计算机采集***(107)提取的包含NUM个比特的比特序列与所述第二计算机采集***(207)提取的包含NUM个比特的比特序列中的不一致比特，使得所述第一计算机采集***(107)和所述第二计算机采集***(207)拥有相同的比特序列。
本发明的积极效果：本发明通过使用分时选通来随机改变激光器发射的激光信号到达光电探测器所经过的空间分集子信道，实现对空间分集不同子信道的随机切换测量；通过对空间分集不同子信道进行随机切换测量，可以使接收光信号采样操作在用比大气湍流光信号衰落自相关时间长度更小的采样时间间隔条件下，也能确保连续的两次采样测量获得的接收光信号采样值近似统计无关。因此，在通过减小计算机采集***的采样时间间隔来提高随机比特提取速率时，使用本发明可以减轻对提取的比特序列的随机性的损害。
附图说明
图1为基于空间分集分时选通的大气湍流光信道共享随机比特提取***示意图。
图2为1×N光开关示意图。
图3为1×M光开关示意图。
具体实施方式
为了使本方法的特征和优点更加清楚明白，下面结合具体实施例对本方法作进一步的描述。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。在本实施例中，第一空间分集端机和第二空间分集端机分别位于两栋高楼的屋顶。在本实施例中，第一光电探测器(108)和第二光电探测器(208)为PIN光电探测器。第一激光器(100)和第二激光器(200)输出功率稳定的激光信号，而且第一激光器(100)输出激光信号的功率等于第二激光器(200)输出激光信号的功率。发表在《密码学报》2015年2卷2期113～121页的论文对量子密钥分配后处理中的误码估计、密钥协商、错误校验操作有详细的介绍。借用量子密钥分配后处理中使用的误码估计、密钥协商、错误校验技术可以对两个空间分集端机提取的原始共享随机比特序列进行不一致比特纠错，并确定最终得到的共享随机比特序列变为可以在实际中使用的共享随机比特序列。基于空间分集分时选通的大气湍流光信道由于使用了光纤环行器和单模光纤，仍然属于CTSMC(Common-Transverse-Spatial-ModeCoupling)收发模式，因此可以确保双向信道是互易的。
本发明公开了一种基于空间分集分时选通的大气湍流光信道共享随机比特提取***，包括第一空间分集端机、第二空间分集端机以及大气湍流信道，第一空间分集端机和第二空间分集端机分别对从对方发来的经大气湍流信道传输后的激光信号进行接收、探测和采样，并根据获得的采样值提取随机比特。
如图1所示，所述第一空间分集端机和所述第二空间分集端机通过大气湍流信道把各自发射的光信号传送给对方。所述第一空间分集端机在大气湍流信道的左端，所述第二空间分集端机在大气湍流信道的右端。所述第一空间分集端机包括第一激光器(100)、第一光纤环行器(101)、1×N光开关(102)、第一左端收发器(103)、第二左端收发器(104)、第N左端收发器(105)、第一光开关选通控制模块(106)、第一计算机采集***(107)、第一光电探测器(108)。所述第二空间分集端机包括第二激光器(200)、第二光纤环行器(201)、1×M光开关(202)、第一右端收发器(203)、第二右端收发器(204)、第M右端收发器(205)、第二光开关选通控制模块(206)、第二计算机采集***(207)、第二光电探测器(208)。
所述第一激光器(100)的激光输出端口通过单模光纤连到所述第一光纤环行器(101)的第一端口，所述第一光纤环行器(101)的第二端口通过单模光纤连到所述1×N光开关(102)的零号光端口，所述1×N光开关(102)的一号光端口通过单模光纤与所述第一左端收发器(103)相连，所述1×N光开关(102)的二号光端口通过单模光纤与所述第二左端收发器(104)相连，以此类推，所述1×N光开关(102)的N号光端口通过单模光纤与所述第N左端收发器(105)相连；所述第一光开关选通控制模块(106)的控制信号输出端口通过信号线与所述1×N光开关(102)的选通控制端口相连。1×N光开关(102)的各个端口如图2所示。
所述第二激光器(200)的激光输出端口通过单模光纤连到所述第二光纤环行器(201)的第一端口，所述第二光纤环行器(201)的第二端口通过单模光纤连到所述1×M光开关(202)的零号光端口，所述1×M光开关(202)的一号光端口通过单模光纤与所述第一右端收发器(203)相连，所述1×M光开关(202)的二号光端口通过单模光纤与所述第二右端收发器(204)相连，以此类推，所述1×M光开关(202)的M号光端口通过单模光纤与所述第M右端收发器(205)相连；所述第二光开关选通控制模块(206)的控制信号输出端口通过信号线与所述1×M光开关(202)的选通控制端口相连。1×M光开关(202)的各个端口如图3所示。
所述第一激光器(100)发射的激光信号从所述第一光纤环行器(101)的第一端口进入所述第一光纤环行器(101)，并从所述第一光纤环行器(101)的第二端口出射后再到达所述1×N光开关(102)，最后经过与所述1×N光开关(102)的零号光端口相连通的光端口对应的所述左端收发器进入大气湍流信道；从所述第一激光器(100)发射的激光信号经过大气湍流信道到达所述第二空间分集端机后，所述第二空间分集端机的所述第一右端收发器(203)、所述第二右端收发器(204)、以此类推到所述第M右端收发器(205)都接收到一部分激光信号；只有与所述1×M光开关(202)的零号光端口相连通的光端口对应的所述右端收发器接收到的激光信号才能经过所述1×M光开关(202)进入所述第二光纤环行器(201)的第二端口，并从所述第二光纤环行器(201)的第三端口出射；从所述第二光纤环行器(201)的第三端口出射的激光信号经过单模光纤入射到所述第二光电探测器(208)上；所述第二光电探测器(208)输出的电信号通过信号线传送给所述第二计算机采集***(207)，所述第二计算机采集***(207)对所述第二光电探测器(208)输出的电信号进行采样和量化，并把采样值保存在存储器中。
所述第二激光器(200)发射的激光信号从所述第二光纤环行器(201)的第一端口进入所述第二光纤环行器(201)，并从所述第二光纤环行器(201)的第二端口出射后再到达所述1×M光开关(202)，最后经过与所述1×M光开关(202)的零号光端口相连通的光端口对应的所述右端收发器进入大气湍流信道；从所述第二激光器(200)发射的激光信号经过大气湍流信道到达所述第一空间分集端机后，所述第一空间分集端机的所述第一左端收发器(103)、所述第二左端收发器(104)、以此类推到所述第N左端收发器(105)都接收到一部分激光信号；只有与所述1×N光开关(102)的零号光端口相连通的光端口对应的所述左端收发器接收到的激光信号才能经过所述1×N光开关(102)进入所述第一光纤环行器(101)的第二端口，并从所述第一光纤环行器(101)的第三端口出射；从所述第一光纤环行器(101)的第三端口出射的激光信号经过单模光纤入射到所述第一光电探测器(108)上；所述第一光电探测器(108)输出的电信号通过信号线传送给所述第一计算机采集***(107)，所述第一计算机采集***(107)对所述第一光电探测器(108)输出的电信号进行采样和量化，并把采样值保存在存储器中。
所述第一光开关选通控制模块(106)每隔时间间隔δt就通过改变输出控制信号来对所述1×N光开关(102)的光端口连通方式作一次改变，具体改变方式是，在当前与所述1×N光开关(102)的零号光端口不连通的其他N-1个所述1×N光开关(102)的光端口中，按等概率方式随机选择一个光端口，并使所述1×N光开关(102)的这个被选择的光端口与所述1×N光开关(102)的零号光端口相连通。
所述第二光开关选通控制模块(206)每隔时间间隔δt就通过改变输出控制信号来对所述1×M光开关(202)的光端口连通方式作一次改变，具体改变方式是，在当前与所述1×M光开关(202)的零号光端口不连通的其他M-1个所述1×M光开关(202)的光端口中，按等概率方式随机选择一个光端口，并使所述1×M光开关(202)的这个被选择的光端口与所述1×M光开关(202)的零号光端口相连通。
如果与所述1×N光开关(102)的零号光端口相连通的光端口是所述1×N光开关(102)的一号光端口，则与所述1×N光开关(102)的零号光端口相连通的光端口对应的所述左端收发器是指所述第一左端收发器(103)；如果与所述1×N光开关(102)的零号光端口相连通的光端口是所述1×N光开关(102)的二号光端口，则与所述1×N光开关(102)的零号光端口相连通的光端口对应的所述左端收发器是指所述第二左端收发器(104)；以此类推，如果与所述1×N光开关(102)的零号光端口相连通的光端口是所述1×N光开关(102)的N号光端口，则与所述1×N光开关(102)的零号光端口相连通的光端口对应的所述左端收发器是指所述第N左端收发器(105)。
如果与所述1×M光开关(202)的零号光端口相连通的光端口是所述1×M光开关(202)的一号光端口，则与所述1×M光开关(202)的零号光端口相连通的光端口对应的所述右端收发器是指所述第一右端收发器(203)；如果与所述1×M光开关(202)的零号光端口相连通的光端口是所述1×M光开关(202)的二号光端口，则与所述1×M光开关(202)的零号光端口相连通的光端口对应的所述右端收发器是指所述第二右端收发器(204)；以此类推，如果与所述1×M光开关(202)的零号光端口相连通的光端口是所述1×M光开关(202)的M号光端口，则与所述1×M光开关(202)的零号光端口相连通的光端口对应的所述右端收发器是指所述第M右端收发器(205)。
获得接收光信号的采样值并提取随机比特需要执行操作S1、操作S2和操作S3。
S1：在从时刻tb到时刻te的时间段内，所述第一计算机采集***(107)每隔时间间隔δs就对所述第一光电探测器(108)输出的电信号进行一次采样和量化，并把每次执行采样和量化操作得到的采样值保存在所述第一计算机采集***(107)的存储器中，形成第一采样值序列；在从时刻tb到时刻te的时间段内，所述第二计算机采集***(207)每隔时间间隔δs就对所述第二光电探测器(208)输出的电信号进行一次采样和量化，并把每次执行采样和量化操作得到的采样值保存在所述第二计算机采集***(207)的存储器中，形成第二采样值序列。
S2：所述第一计算机采集***(107)从所述第一采样值序列中提取NUM个比特，所述第二计算机采集***(207)从所述第二采样值序列中提取NUM个比特，NUM表示所述第一采样值序列包含的采样值个数，所述第一采样值序列包含的采样值个数等于所述第二采样值序列包含的采样值个数；把所述第一采样值序列的每个采样值当作一个随机观测值，在所述第一计算机采集***(107)中计算所述第一采样值序列的采样值的经验累积分布函数F1(x)，并计算
Figure BDA0002813371610000081
把Tx1作为判决阈值用于提取随机比特序列；针对所述第一采样值序列的第i个采样值，i＝1,2,3,…,NUM，如果所述第一采样值序列的第i个采样值大于Tx1，则所述第一计算机采集***(107)从所述第一采样值序列中提取的第i个比特为1，否则所述第一计算机采集***(107)从所述第一采样值序列中提取的第i个比特为0；把所述第二采样值序列的每个采样值当作一个随机观测值，在所述第二计算机采集***(207)中计算所述第二采样值序列的采样值的经验累积分布函数F2(x)，并计算
Figure BDA0002813371610000082
把Tx2作为判决阈值用于提取随机比特序列；针对所述第二采样值序列的第j个采样值，j＝1,2,3,…,NUM，如果所述第二采样值序列的第j个采样值大于Tx2，则所述第二计算机采集***(207)从所述第二采样值序列中提取的第j个比特为1，否则所述第二计算机采集***(207)从所述第二采样值序列中提取的第j个比特为0。
S3：利用量子密钥分配后处理中的误码估计、密钥协商、错误校验技术纠正所述第一计算机采集***(107)提取的包含NUM个比特的比特序列与所述第二计算机采集***(207)提取的包含NUM个比特的比特序列中的不一致比特，使得所述第一计算机采集***(107)和所述第二计算机采集***(207)拥有相同的比特序列。
所述第一空间分集端机包含N个左端收发器，所述第二空间分集端机包含M个右端收发器。每个左端收发器都通过单模光纤与所述1×N光开关(102)的对应光端口相连，即所述1×N光开关(102)的一号光端口与所述第一左端收发器(103)相连，所述1×N光开关(102)的二号光端口与所述第二左端收发器(104)相连，其他以此类推。每个左端收发器收到的激光信号可通过单模光纤耦合进入与该左端收发器相连的所述1×N光开关(102)的光端口中。从与每个左端收发器相连的所述1×N光开关(102)的光端口出射的激光信号可以通过单模光纤传输到该左端收发器并发射到大气湍流信道中。
每个右端收发器都通过单模光纤与所述1×M光开关(202)的对应光端口相连，即所述1×M光开关(202)的一号光端口与所述第一右端收发器(203)相连，所述1×M光开关(202)的二号光端口与所述第二右端收发器(204)相连，其他以此类推。每个右端收发器收到的激光信号可通过单模光纤耦合进入与该右端收发器相连的所述1×M光开关(202)的光端口中。从与每个右端收发器相连的所述1×M光开关(202)的光端口出射的激光信号可以通过单模光纤传输到该右端收发器并发射到大气湍流信道中。
在本实施例中，N＝3，M＝3。所述1×N光开关(102)的零号光端口可以和所述1×N光开关(102)的其他任意一个光端口相连通。所述1×M光开关(202)的零号光端口可以和所述1×M光开关(202)的其他任意一个光端口相连通。
如图2所示，1×N光开关(102)除了零号光端口外，还包括N个光端口。1×N光开关(102)的除零号光端口外的其他每个光端口都与一个左端收发器通过单模光纤相连。如图3所示，1×M光开关(202)除了零号光端口外，还包括M个光端口。1×M光开关(202)的除零号光端口外的其他每个光端口都与一个右端收发器通过单模光纤相连。尽管在本实施例中，N＝3，M＝3，本发明的N和M也可取其他大于1的整数值，例如N＝4，M＝5。
在本实施例中，δt＝0.2毫秒，δs＝0.5毫秒，tb＝0毫秒，te＝5000毫秒，所述第一计算机采集***(107)和所述第二计算机采集***(207)同时从时刻tb开始采样。
在本实施例中，在基于空间分集分时选通的大气湍流光信道共享随机比特提取***开始正常工作时，所述第一光开关选通控制模块(106)和所述第二光开关选通控制模块(206)就开始每隔时间间隔δt分别对所述1×N光开关(102)和所述1×M光开关(202)的光端口连通方式作一次改变。在本实施例中，所述1×N光开关(102)和所述1×M光开关(202)都选用1×3磁光开关，其切换速度小于30微秒。
在本实施例中，所述第一计算机采集***(107)和所述第二计算机采集***(207)通过互联网相互连接。互联网为所述误码估计、密钥协商、错误校验技术提供传输数据的信道。
本领域技术人员应该明白，操作S3中的所述第一计算机采集***(107)提取的包含NUM个比特的比特序列的第i个比特就是操作S2中的所述第一计算机采集***(107)从所述第一采样值序列中提取的第i个比特，i＝1,2,3,…,NUM。操作S3中的所述第二计算机采集***(207)提取的包含NUM个比特的比特序列的第j个比特就是操作S2中的所述第二计算机采集***(207)从所述第二采样值序列中提取的第j个比特，j＝1,2,3,…,NUM。

Claims (1)

1.一种基于空间分集分时选通的大气湍流光信道共享随机比特提取***，其特征在于，包括第一空间分集端机、第二空间分集端机以及大气湍流信道，第一空间分集端机和第二空间分集端机分别对从对方发来的经大气湍流信道传输后的激光信号进行接收、探测和采样，并根据获得的采样值提取随机比特；
所述第一空间分集端机和所述第二空间分集端机通过大气湍流信道把各自发射的光信号传送给对方；所述第一空间分集端机在大气湍流信道的左端，所述第二空间分集端机在大气湍流信道的右端；所述第一空间分集端机包括第一激光器、第一光纤环行器、1×N光开关、第一左端收发器、第二左端收发器、第N左端收发器、第一光开关选通控制模块、第一计算机采集***、第一光电探测器；所述第二空间分集端机包括第二激光器、第二光纤环行器、1×M光开关、第一右端收发器、第二右端收发器、第M右端收发器、第二光开关选通控制模块、第二计算机采集***、第二光电探测器；
所述第一激光器的激光输出端口通过单模光纤连到所述第一光纤环行器的第一端口，所述第一光纤环行器的第二端口通过单模光纤连到所述1×N光开关的零号光端口，所述1×N光开关的一号光端口通过单模光纤与所述第一左端收发器相连，所述1×N光开关的二号光端口通过单模光纤与所述第二左端收发器相连，以此类推，所述1×N光开关的N号光端口通过单模光纤与所述第N左端收发器相连；所述第一光开关选通控制模块的控制信号输出端口通过信号线与所述1×N光开关的选通控制端口相连；
所述第二激光器的激光输出端口通过单模光纤连到所述第二光纤环行器的第一端口，所述第二光纤环行器的第二端口通过单模光纤连到所述1×M光开关的零号光端口，所述1×M光开关的一号光端口通过单模光纤与所述第一右端收发器相连，所述1×M光开关的二号光端口通过单模光纤与所述第二右端收发器相连，以此类推，所述1×M光开关的M号光端口通过单模光纤与所述第M右端收发器相连；所述第二光开关选通控制模块的控制信号输出端口通过信号线与所述1×M光开关的选通控制端口相连；
所述第一激光器发射的激光信号从所述第一光纤环行器的第一端口进入所述第一光纤环行器，并从所述第一光纤环行器的第二端口出射后再到达所述1×N光开关，最后经过与所述1×N光开关的零号光端口相连通的光端口对应的所述左端收发器进入大气湍流信道；从所述第一激光器发射的激光信号经过大气湍流信道到达所述第二空间分集端机后，所述第二空间分集端机的所述第一右端收发器、所述第二右端收发器、以此类推到所述第M右端收发器都接收到一部分激光信号；只有与所述1×M光开关的零号光端口相连通的光端口对应的所述右端收发器接收到的激光信号才能经过所述1×M光开关进入所述第二光纤环行器的第二端口，并从所述第二光纤环行器的第三端口出射；从所述第二光纤环行器的第三端口出射的激光信号经过单模光纤入射到所述第二光电探测器上；所述第二光电探测器输出的电信号通过信号线传送给所述第二计算机采集***，所述第二计算机采集***对所述第二光电探测器输出的电信号进行采样和量化，并把采样值保存在存储器中；
所述第二激光器发射的激光信号从所述第二光纤环行器的第一端口进入所述第二光纤环行器，并从所述第二光纤环行器的第二端口出射后再到达所述1×M光开关，最后经过与所述1×M光开关的零号光端口相连通的光端口对应的所述右端收发器进入大气湍流信道；从所述第二激光器发射的激光信号经过大气湍流信道到达所述第一空间分集端机后，所述第一空间分集端机的所述第一左端收发器、所述第二左端收发器、以此类推到所述第N左端收发器都接收到一部分激光信号；只有与所述1×N光开关的零号光端口相连通的光端口对应的所述左端收发器接收到的激光信号才能经过所述1×N光开关进入所述第一光纤环行器的第二端口，并从所述第一光纤环行器的第三端口出射；从所述第一光纤环行器的第三端口出射的激光信号经过单模光纤入射到所述第一光电探测器上；所述第一光电探测器输出的电信号通过信号线传送给所述第一计算机采集***，所述第一计算机采集***对所述第一光电探测器输出的电信号进行采样和量化，并把采样值保存在存储器中；
所述第一光开关选通控制模块每隔时间间隔δt就通过改变输出控制信号来对所述1×N光开关的光端口连通方式作一次改变，具体改变方式是，在当前与所述1×N光开关的零号光端口不连通的其他N-1个所述1×N光开关的光端口中，按等概率方式随机选择一个光端口，并使所述1×N光开关的这个被选择的光端口与所述1×N光开关的零号光端口相连通；
所述第二光开关选通控制模块每隔时间间隔δt就通过改变输出控制信号来对所述1×M光开关的光端口连通方式作一次改变，具体改变方式是，在当前与所述1×M光开关的零号光端口不连通的其他M-1个所述1×M光开关的光端口中，按等概率方式随机选择一个光端口，并使所述1×M光开关的这个被选择的光端口与所述1×M光开关的零号光端口相连通；
如果与所述1×N光开关的零号光端口相连通的光端口是所述1×N光开关的一号光端口，则与所述1×N光开关的零号光端口相连通的光端口对应的所述左端收发器是指所述第一左端收发器；如果与所述1×N光开关的零号光端口相连通的光端口是所述1×N光开关的二号光端口，则与所述1×N光开关的零号光端口相连通的光端口对应的所述左端收发器是指所述第二左端收发器；以此类推，如果与所述1×N光开关的零号光端口相连通的光端口是所述1×N光开关的N号光端口，则与所述1×N光开关的零号光端口相连通的光端口对应的所述左端收发器是指所述第N左端收发器；
如果与所述1×M光开关的零号光端口相连通的光端口是所述1×M光开关的一号光端口，则与所述1×M光开关的零号光端口相连通的光端口对应的所述右端收发器是指所述第一右端收发器；如果与所述1×M光开关的零号光端口相连通的光端口是所述1×M光开关的二号光端口，则与所述1×M光开关的零号光端口相连通的光端口对应的所述右端收发器是指所述第二右端收发器；以此类推，如果与所述1×M光开关的零号光端口相连通的光端口是所述1×M光开关的M号光端口，则与所述1×M光开关的零号光端口相连通的光端口对应的所述右端收发器是指所述第M右端收发器；
获得接收光信号的采样值并提取随机比特需要执行操作S1、操作S2和操作S3；
S1：在从时刻tb到时刻te的时间段内，所述第一计算机采集***每隔时间间隔δs就对所述第一光电探测器输出的电信号进行一次采样和量化，并把每次执行采样和量化操作得到的采样值保存在所述第一计算机采集***的存储器中，形成第一采样值序列；在从时刻tb到时刻te的时间段内，所述第二计算机采集***每隔时间间隔δs就对所述第二光电探测器输出的电信号进行一次采样和量化，并把每次执行采样和量化操作得到的采样值保存在所述第二计算机采集***的存储器中，形成第二采样值序列；
S2：所述第一计算机采集***从所述第一采样值序列中提取NUM个比特，所述第二计算机采集***从所述第二采样值序列中提取NUM个比特，NUM表示所述第一采样值序列包含的采样值个数，所述第一采样值序列包含的采样值个数等于所述第二采样值序列包含的采样值个数；把所述第一采样值序列的每个采样值当作一个随机观测值，在所述第一计算机采集***中计算所述第一采样值序列的采样值的经验累积分布函数F1(x)，并计算
Figure FDA0002813371600000031
把Tx1作为判决阈值用于提取随机比特序列；针对所述第一采样值序列的第i个采样值，i＝1,2,3,…,NUM，如果所述第一采样值序列的第i个采样值大于Tx1，则所述第一计算机采集***从所述第一采样值序列中提取的第i个比特为1，否则所述第一计算机采集***从所述第一采样值序列中提取的第i个比特为0；把所述第二采样值序列的每个采样值当作一个随机观测值，在所述第二计算机采集***中计算所述第二采样值序列的采样值的经验累积分布函数F2(x)，并计算
Figure FDA0002813371600000032
把Tx2作为判决阈值用于提取随机比特序列；针对所述第二采样值序列的第j个采样值，j＝1,2,3,…,NUM，如果所述第二采样值序列的第j个采样值大于Tx2，则所述第二计算机采集***从所述第二采样值序列中提取的第j个比特为1，否则所述第二计算机采集***从所述第二采样值序列中提取的第j个比特为0；
S3：利用量子密钥分配后处理中的误码估计、密钥协商、错误校验技术纠正所述第一计算机采集***提取的包含NUM个比特的比特序列与所述第二计算机采集***提取的包含NUM个比特的比特序列中的不一致比特，使得所述第一计算机采集***和所述第二计算机采集***拥有相同的比特序列。
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