一种适用于CVQKD系统的灵活相位补偿方法技术方案

本发明专利技术提供一种适用于CVQKD系统的灵活相位补偿方法，包括：S1，在发送端构造N个随机数序列和M个相位漂移校验序列；S2，对M个相位漂移校验序列进行调制；S3，调制后的M个相位漂移校验序列，经过信道传输，在接收端进行探测和采集；S4，对M个相位漂移校验序列的探测和采集结果进行维纳滤波；S5，对维纳滤波后的相位漂移校验序列进行相位漂移值计算；S6，将计算出的相位漂移值补偿到对应的随机数序列上。本发明专利技术基于维纳滤波原理设计多组较短长度的校验序列，进行时域上的去噪处理后计算相位漂移值，可显著缩短校验序列长度，灵活调整数据帧长短，进行长短帧的拆分和组合，从而有效提升数据利用率并获得更高的安全码率。数据利用率并获得更高的安全码率。数据利用率并获得更高的安全码率。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于CVQKD系统的灵活相位补偿方法


[0001]本专利技术涉及CVQKD系统
，具体而言，涉及一种适用于CVQKD系统的灵活相位补偿方法。

技术介绍

[0002]在现代通信中，信息安全非常重要。基于量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)的量子保密通信技术可以为合法通信双方(Alice和Bob)之间建立安全的通信密钥，具有理论上的无条件安全性，是保密通信技术的重要发展方向。量子密钥分发按照编码方式可分为离散变量协议和连续变量协议两类。其中，连续变量量子密钥分发(Continuous Variable Quantum Key Distribution,CVQKD)具有与经典光通信产业兼容性高、与经典信号共纤同传性能好、城域范围内速率高、可实现点对多点QKD协议的优势，是目前最接近实用化的量子信息技术之一，具有重大战略需求和实际应用价值。
[0003]但是在CVQKD系统中，信号光经过信道传输后，受到环境变化、光纤应力以及MZ干涉光路的不对称性等影响，其相位发生随机变化，称为相位漂移。相位漂移会使得接收端对信号光的探测结果与发送端的调制相位存在一个相位差，这会导致系统后处理过程中的密钥协商无法进行，无法获得安全一致的密钥信息。因此需要在数据协商前对信号光的相位漂移进行补偿，称为相位补偿，其可通过硬件结构或者软件设计来实现。
[0004]不同于经典光通信系统，CVQKD系统的信噪比很低，无法采用锁相环等方案进行相位补偿，常用的方案是使用校验序列来估计信号光的相位漂移值。具体为：在信号光序列中插入固定频率的正弦波校验序列，通过校验序列与参考光的干涉结果来估计信号光的相位漂移值。典型的信号光序列数据帧结构如图1所示，探测结果如图2所示，图2中的正弦波为校验序列波形。从图2可看出，校验序列和随机数序列的比例分配接近于1比1，则有效数据利用率仅为50％左右。相位补偿主要分为两部分，一部分是估计相位漂移值，一部分是相位补偿。接收端探测到校验序列后，对干涉波形进行相位变化的计算得到估计的相位漂移值。当干涉波形是正弦波时，可以通过时域自相关计算法来估计相位漂移。其基本原理是对被测波形的每个数据点位置与标准波形进行对比，寻找相关系数最大的位置p
max
，该方案需要遍历整个被测波形l，将得到的p
max
与整个被测波形的长度进行比较，可以得到对应的相位漂移值用公式表示为
[0005][0006]因此，相位漂移值估计精度与校验序列的长度l有关。校验序列的长度越长，将会包含更多信息的数据点位置，获得更准确的相位漂移值，但同时也降低了有效数据利用率。并且该方案的设计在时序上无法灵活调整数据帧长短，校验序列是单个完整的正弦波形，无法进行拆分和组合，限制了针对不同CVQKD系统的适用性。另外更长的校验序列会导致进行遍历的时间增加，严重增加系统开销。最后当噪声变得恶劣时，寻找峰值位置将会变得非常困难，估计精度下降，补偿效果变差。因此，在CVQKD系统中，需要更加灵活、能够调整数据
帧结构且能够适应恶劣噪声的相位补偿方案，以此来提升系统性能。

技术实现思路

[0007]本专利技术旨在提供一种适用于CVQKD系统的灵活相位补偿方法，以解决在CVQKD系统中，需要更加灵活、能够调整数据帧结构且能够适应恶劣噪声的相位补偿方案的问题。
[0008]本专利技术提供的一种适用于CVQKD系统的灵活相位补偿方法，包括如下步骤：
[0009]S1，在发送端构造N个随机数序列和M个相位漂移校验序列；
[0010]S2，对M个相位漂移校验序列进行调制；
[0011]S3，调制后的M个相位漂移校验序列，经过信道传输，在接收端进行探测和采集；
[0012]S4，对M个相位漂移校验序列的探测和采集结果进行维纳滤波；
[0013]S5，对维纳滤波后的相位漂移校验序列进行相位漂移值计算；
[0014]S6，将计算出的相位漂移值补偿到对应的随机数序列上。
[0015]进一步的，步骤S1中，在发送端构造N个随机数序列和M个相位漂移校验序列的方法包括：
[0016]在发送端，在一段通信时间T内构造R组序列作为信号光；在每组序列中，按照协议要求调制n个脉冲信号作为一组随机数序列，调制m个脉冲信号作为一组相位漂移校验序列，最终得到N个随机数序列和M个相位漂移校验序列，即N＝n*R，M＝m*R。
[0017]进一步的，对于构造的N个随机数序列和M个相位漂移校验序列，需要根据维纳滤波的原理进行穿插。
[0018]进一步的，所述穿插的方法包括：
[0019]将多组重复的相位漂移校验序列组合后与多组随机数序列穿插，即N个随机数序列和M个校验序列穿插；
[0020]或者，
[0021]将相位漂移校验序列单独与随机数序列穿插，即n个随机数序列和m个相位漂移校验序列穿插。
[0022]进一步的，步骤S2中，对M个相位漂移校验序列进行调制的方法包括：
[0023]采用相位调制器对每组m个相位漂移校验序列进行调制，其中：
[0024]振幅调制为相同的幅度；
[0025]相位调制为0～2V
π
对应的电压值的均匀递增序列，V
π
是相位调制器的半波电压。
[0026]进一步的，步骤S4，对M个相位漂移校验序列的探测和采集结果进行维纳滤波的方法包括：
[0027]设定维纳滤波器的阶数L，即进行迭代的次数，在迭代中按照步骤S41～S44进行迭代滤波：
[0028]S41，输入M个相位漂移校验序列的探测和采集结果x(n)＝s(n)+v(n)，其中，s(n)是带有相位漂移的正弦校验序列；v(n)是探测过程中的电噪声和散粒噪声；
[0029]S42，分别计算x(n)和v(n)的自相关系数R
xx
和R
vv
，由于x(n)与v(n)两者相互独立，两者相减得到s(n)的自相关系数R
ss
，计算期望信号s(n)与x(n)的互相关系数R
sx
＝R
ss
＝R
xx
‑
R
vv
；
[0030]S43，计算维纳滤波器系数
[0031]S44，对M个相位漂移校验序列的探测和采集结果x(n)和维纳滤波器系数h进行卷积运算，得到经过维纳滤波处理的正弦校验序列y(n)。
[0032]进一步的，步骤S5中，对维纳滤波后的相位漂移校验序列进行相位漂移值计算的方法包括极值查找法或自相关计算法。
[0033]进一步的，步骤S5中，对维纳滤波后的相位漂移校验序列进行插值之后再进行相位漂移值计算。
[0034]进一步的，通信时间T，脉冲个数m、n，分组数R，均与系统重复频率、系统参数估计用的数据量、数据组合方式相关，则依据系统实际运行时的性能进行比例调整。
[0035]进一步的，所述脉冲信号为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于CVQKD系统的灵活相位补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，在发送端构造N个随机数序列和M个相位漂移校验序列；S2，对M个相位漂移校验序列进行调制；S3，调制后的M个相位漂移校验序列，经过信道传输，在接收端进行探测和采集；S4，对M个相位漂移校验序列的探测和采集结果进行维纳滤波；S5，对维纳滤波后的相位漂移校验序列进行相位漂移值计算；S6，将计算出的相位漂移值补偿到对应的随机数序列上。2.根据权利要求1所述的适用于CVQKD系统的灵活相位补偿方法，其特征在于，步骤S1中，在发送端构造N个随机数序列和M个相位漂移校验序列的方法包括：在发送端，在一段通信时间T内构造R组序列作为信号光；在每组序列中，按照协议要求调制n个脉冲信号作为一组随机数序列，调制m个脉冲信号作为一组相位漂移校验序列，最终得到N个随机数序列和M个相位漂移校验序列，即N＝n*R，M＝m*R。3.根据权利要求2所述的适用于CVQKD系统的灵活相位补偿方法，其特征在于，对于构造的N个随机数序列和M个相位漂移校验序列，需要根据维纳滤波的原理进行穿插。4.根据权利要求3所述的适用于CVQKD系统的灵活相位补偿方法，其特征在于，所述穿插的方法包括：将多组重复的相位漂移校验序列组合后与多组随机数序列穿插，即N个随机数序列和M个校验序列穿插；或者，将相位漂移校验序列单独与随机数序列穿插，即n个随机数序列和m个相位漂移校验序列穿插。5.根据权利要求1所述的适用于CVQKD系统的灵活相位补偿方法，其特征在于，步骤S2中，对M个相位漂移校验序列进行调制的方法包括：采用相位调制器对每组m个相位漂移校验序列进行调制，其中：振幅调制为相同的幅度；相位调制为0～2V
π
对应的电压值的均匀递增序列，V
π
是相位调制器的半波电压。6.根据权利要求1所述的适用于CVQKD系统的灵活相位补偿方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨杰，徐兵杰，付俐锋，刘金璐，李扬，马荔，吴梅，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第三十研究所，
类型：发明
国别省市：