[发明专利]一种基于概率整形的量子噪声流掩盖传输方法

说明书

本发明公开了一种基于概率整形的量子噪声流掩盖传输方法，在发送端通过CCDM算法产生概率整形16QAM信号并将其I、Q两路分别映射成比特，再将I、Q两路的密钥比特直接添加到信号比特末尾，之后，分别将I、Q两路二进制比特序列转化为十进制序列后得到超高阶概率整形QAM信号。本发明在相同比特率条件下，传输距离相比传统方案提升近50％且能够在高速的安全通信传输系统中实现高速量子噪声流加密信号的长距离传输与解密。

技术领域

本发明属于安全通信传输领域，尤其涉及一种基于概率整形的量子噪声流掩盖传输方法。

背景技术

目前，承载全球80％以上数据流量的光网络正朝着超高速、超大容量、超长距离的方向发展。由于下一代光网络将变得复杂和多样化，窃听或拦截的风险可能会增加。近些年来，许多对光信号的加密技术得到了广泛研究，其中包括量子密钥分发、光混沌加密、量子噪声流密钥等。在这些加密方式中，量子密钥分发被认为是唯一已知的实现绝对安全的方法。然而其本质是采用一次一密的加密方式。在一次一密的加密方式下明文的长度需要和密钥的长度一致，因此系统的传输速率会受限于密钥速率。目前这种加密方式仅能支持最大30Mbit/s的传输速率。光学混沌加密应用器件的非线性动力学来生成用于加密的光学混沌载体，虽然混沌加密具有较高的安全性和鲁棒性，目前最高速率可达30Gbit/s，但难以在该速率条件下进行远距离传输。作为一种新兴的光通信物理层安全技术，量子噪声流掩盖结合了数学复杂度和物理复杂度，具有高安全、高速率、长跨距、结构灵活、与现有光纤通信系统高度兼容等优点。

量子噪声流掩盖通过光纤传输过程中半导体激光器和光电探测器引入的散粒噪声和光放大器引入的自发辐射噪声对信号进行加密，窃听者对信号解调失败的概率可达99.9％。2021年，华中科技大学基于ISK调制格式实现了100Gbit/s的传输速率，但传输距离仅为50km。2021年，日本玉川大学Ken Tanizawa等人基于QPSK调制格式，利用偏振复用技术实现了48Gbit/s的最高传输速率，传输距离最远可达10118km，窃听者的误符号率为0.9965。2015年，Masato Yoshida等人采用偏振复用技术，实现了单信道以40Gbit/s的速率传输480km。2020年该团队基于128QAM调制格式，借助波分复用技术，实现了10Tbit/s的传输速率，频谱利效率提高到了6bit/s/Hz。2021年，贝尔实验室Xi Chen等人采用两段SiPh调制器，将分辨率为8bit的任意波形发生器所能提供的基于QAM调制格式的量子噪声流掩盖最大掩盖阶数由2¹⁶QAM提高到2³²QAM，同时单波最大波特率由之前的5GBaud提高到22GBaud，净速率可以达到160Gbit/s。如上所述，这些基于量子噪声流掩盖的研究工作为安全通信传输的高速长距离传输带来了希望。为进一步量子噪声流掩盖通信系统的传输速率以及传输距离，研究一种基于概率整形的量子噪声流掩盖传输系统，将具有很重要的研究意义。

发明内容

为实现高速量子噪声流掩盖信号的长距离传输与解密，本发明提供了一种基于概率整形的量子噪声流掩盖传输方法。

本发明的一种基于概率整形的量子噪声流掩盖传输方法，在发送端通过CCDM算法产生概率整形16QAM信号并将其I、Q两路分别映射成比特，再将I、Q两路的密钥比特直接添加到信号比特末尾，之后，分别将I、Q两路二进制比特序列转化为十进制序列后得到超高阶概率整形QAM信号；具体包括以下步骤：

步骤1：在发送端，首先通过恒定组分分布匹配CCDM算法产生概率整形16QAM信号；通过使用发送端和接收端预共享的种子密钥驱动线性反馈移位寄存器，产生偏置位密钥，将偏置位密钥的比特添加到概率整形16QAM的信息位比特后，以此产生超高阶概率整形QAM信号。

步骤2：在超高阶概率整形QAM信号数据起始位添加一个QPSK信号，后续每间隔16个数据符号插入一个QPSK信号，这些QPSK符号将作为导频在接收端用于载波相位恢复。