[发明专利]基于随机调制实现测量样本去相关的大气光信道密钥提取方法

说明书

本发明公开一种基于随机调制实现测量样本去相关的大气光信道密钥提取方法。本方法在一个激光收发端机中引入随机调制，利用电光调制器把随机信号调制到激光器输出光信号上，使得激光信号在大气湍流光信号衰落自相关时间内发生随机变化。本方法可以使得加入随机调制后的接收光信号的自相关时间长度小于大气湍流光信号衰落自相关时间长度，因此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，连续的加入随机调制后的接收光信号测量样本之间也可变得统计不相关，以便从大气光信道中提取不相关的共享密钥比特序列。

技术领域

本发明涉及一种基于随机调制实现测量样本去相关的大气光信道密钥提取方法，属于信息安全技术领域。

背景技术

最近，基于大气光信道的共享密钥提取技术受到研究者的关注。例如，发表在《Optics Express》2018年26卷13期16422～16441页的论文就介绍了从互易的双向大气光信道随机衰落中提取共享密钥的方法。在从大气光信道中提取密钥时，首先需要在信道两端对接收到的随机衰落光信号进行采样和测量，得到一系列光信号测量样本，然后再对这些样本进行量化，以生成随机比特序列。申请号为201811370939.1的一件中国发明专利申请公开了一种从大气湍流光信号衰落中提取共享随机比特的方法，该方法可以用来从大气光信道中提取共享密钥。申请号为202011393371.2的一件中国发明专利申请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系统，其目的是使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，也能确保连续的光信号测量样本之间近似统计无关。从本质上说，申请号为202011393371.2的中国发明专利申请使用了空间分集分时选通模式来实现连续的光信号测量样本之间的去相关。空间分集分时选通模式要求收发端机使用多发多收结构，其相比于单发单收结构，实现更复杂，而且还需要进行分时选通控制，进一步增加了实现复杂度。对于大气光信道来说，连续的接收光信号测量样本之间存在统计相关的根本原因是，连续的接收光信号测量样本之间缺少随机变化。如果能够在大气湍流光信号衰落自相关时间内对信道的发射光信号强度进行随机调制，使得发射光信号在大气湍流光信号衰落自相关时间内能够快速随机变化，则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，连续的接收光信号测量样本之间也可能变得统计不相关。对发射光信号强度进行随机调制很容易实现。可以用常见的电光调制器来随机改变发射光信号强度。如图1所示，收发端机A的收发光学系统A和收发端机B的收发光学系统B都使用共横向空间模耦合(Common-transverse-spatial-mode Coupling,CTSMC)收发器，这可以保证大气光信道满足互易性。《Optics Express》2018年26卷13期16422～16441页的论文对CTSMC收发器进行了叙述。例如，Jean Minet等发表在《Journalof Optics》2013年15卷2期的论文“Enhanced correlation of received power-signalfluctuations in bidirectional optical links”中的图1就给出了CTSMC收发器的一种具体实现形式。

在本申请说明书附图的图1的收发端机B中，使用电光调制器来对激光器B输出的光信号LSB的强度进行调制；光信号LSB经过电光调制器后，随机信号x_B(t)就被调制到光信号LSB上，其中0≤x_B(t)≤1；光信号LSB的初始功率通常设置为固定值s_B，从电光调制器输出的光信号功率具有与随机信号x_B(t)相同的变化。对于收发端机A来说，激光器A输出的光信号LSA就是发射光信号；对于收发端机B来说，电光调制器输出的光信号才是发射光信号。令随机信号x_B(t)为自相关时间长度远小于大气湍流光信号衰落自相关时间长度的随机信号。对于互易的大气光信道来说，有：

y_A(t)＝s_Bx_B(t)h(t) (1)

y_B(t)＝s_Ah(t) (2)