[发明专利]一种大气湍流光信道共享随机比特提取方法

说明书

本发明公开一种对发射功率起伏不敏感的大气湍流光信道共享随机比特提取方法。本发明用激光器输出功率起伏的采样值乘以接收光信号起伏的采样值，据此提取随机比特。本发明的方法可以保证在激光收发端机A和激光收发端机B的发射功率不稳定时，也能很好地从大气湍流光信道中提取共享随机比特，即共享随机比特的提取对发射功率起伏不敏感。

技术领域

本发明属于信息安全技术领域，涉及一种对发射功率起伏不敏感的大气湍流光信道共享随机比特提取方法。

背景技术

申请号为201811370939.1的一件中国发明专利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。成功实施该方法的一个关键前提是，确保激光收发端机A和激光收发端机B之间的双向光传输信道具有良好互易性，即确保激光收发端机A和激光收发端机B接收到的光信号起伏具有良好的相关性。为了满足这一要求，除了按照《OpticsExpress》 2018年26卷13期16422～16441页论文描述的方式(即用CTSMC收发模式)保证激光收发端机A和激光收发端机B之间的双向传输信道是互易的外，实际上还要求激光收发端机A和激光收发端机B的发射功率稳定。为了获得稳定的发射功率，激光收发端机A和激光收发端机B需要对其使用的激光器进行专门的控制处理。例如，济南大学的陈颖于 2013年完成的硕士学位论文《光纤输出稳定激光光源的控制系统研发》就对激光器输出功率稳定控制方法作过叙述。

对于大气湍流光传输信道，可以定义功率透射率时间函数为在t时刻的接收光功率与发射光功率之比。令在t时刻，从激光收发端机A到激光收发端机B的光传输信道的功率透射率为h_AB(t)，令在t时刻，从激光收发端机B到激光收发端机A的光传输信道的功率透射率为h_BA(t)。很明显有：0≤h_AB(t)≤1，0≤h_BA(t)≤1。由于大气湍流扰动的影响，h_AB(t) 和h_BA(t)都随时间的变化而起伏。如果激光收发端机A和激光收发端机B之间的双向光传输信道完全互易，则h_AB(t)＝h_BA(t)；可以把双向大气湍流光传输信道的功率透射率起伏看作是被激光收发端机A和激光收发端机B共享的随机源，激光收发端机A和激光收发端机B可以从中提取共享随机比特，用作信息加密/解密操作所需的共享密钥。

如果激光收发端机A和激光收发端机B没有对其使用的激光器进行专门的输出功率稳定控制，则它们的发射功率将随时间发生变化。在此，把激光收发端机A在t时刻的发射功率记作其中表示激光收发端机A的归一化发射功率起伏函数(其最大值为1)，C_A为一个常量比例系数(表示激光收发端机A的发射功率峰值)。类似地，把激光收发端机B在t时刻的发射功率记作其中表示激光收发端机B的归一化发射功率起伏函数(其最大值为1)，C_B为一个常量比例系数(表示激光收发端机B的发射功率峰值)。注意到，激光收发端机A在t时刻接收到的光功率等于激光收发端机B在t时刻接收到的光功率等于在不对激光器进行专门的输出功率稳定控制时，即使h_AB(t)＝h_BA(t)，由于激光收发端机A和激光收发端机B的发射功率随时间的变化通常不相关，激光收发端机A和激光收发端机B接收到的光功率的相关系数会明显小于1；换句话说，激光收发端机A和激光收发端机B的发射功率随时间的变化会降低两者接收光功率的相关性。这会进一步导致激光收发端机A和激光收发端机B提取的共享随机比特的不一致率增加。