一种适用于极低接收率的同步方法及装置与流程

本发明实施例涉及通信技术领域，尤其涉及一种适用于极低接收率的同步方法及装置。

背景技术：

量子通信是量子物理与经典通信相结合的新兴交叉学科，它是把量子态当作信息载体，借助于量子力学的基本原理进行信息编码、通信控制和安全传输。作为量子通信的重要组成部分，量子安全直接通信技术通过直接建立量子信道的方式进行通信，在信息传输过程中通信双方不需要事先确定秘钥，因此具有高安全，高容量等优点，是一种新型的安全通信技术。然而，当发送端将发送的信息通过相位调制加载到单光子上，并直接通过量子信道传输载有信息的单光子。然而由于量子信道的衰减效应以及单光子源的非理想特性，导致接收端只能接收到很少的单光子数，其单光子接收率通常在万分之四到千分之二之间。这就意味着接收端只能接收到很少的发送信息。并且由于时延和信道的衰减效应的作用，接收序列存在相移。如果不采用同步方法使得码元同步，将无法解扩得到正确的译码信息，导致译码失败而无法实现高效的通信。因此，码元同步是实现高效量子安全直接通信的必要条件。

在现有的同步方案中，采用同步头和滑动相关法的同步方法最为普遍，同步头是采用一段特殊的序列，接收序列接收到这段特殊的码字信息后用于校准；滑动相关捕获法是一种时域串行移位搜索方法，在滑动搜索过程中，先让本地扩频码和接收信号的码速率不同，这就可以认为两个码此时相对滑动。首先，用本地扩频码发生器产生的扩频码对接收信号做相关，之后，通过与门限值进行比较判断是否满足门限条件，不断改变扩频码的相位状态直至满足门限值，完成相位捕获。然后由于量子安全直接通信的接收率太低，传统的同步方法无法实现同步。因此，设计出适用于量子安全直接通信的高性能、低实现复杂度的同步算法对于实现量子安全直接通信的具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明实施例的目的是提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的适用于极低接收率的同步方法及装置。

为了解决上述技术问题，一方面，本发明实施例提供一种适用于极低接收率的同步方法，包括：

将目标扩频序列中的每一扩频比特分别与特定的码字空间扩频后的每一个扩频码字序列比较，分别记录相同位的个数，作为一组计数值，所述目标扩频序列为当前信息比特的扩频序列；

根据所述计数值，确定所述当前信息比特是否为同步位置。

另一方面，本发明实施例提供一种适用于极低接收率的同步装置，包括：

比较模块，用于将目标扩频序列中的每一扩频比特分别与特定的码字空间扩频后的每一个扩频码字序列比较，分别记录相同位的个数，作为一组计数值，所述目标扩频序列为当前信息比特的扩频序列；

同步模块，用于根据所述计数值，确定所述当前信息比特是否为同步位置。

再一方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括：

存储器和处理器，所述处理器和所述存储器通过总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行上述的方法。

又一方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现上述的方法。

本发明实施例提供的适用于极低接收率的同步方法及装置，在较短的扩频周期下实现快速的完全同步，并且使得同步之后的解扩的信息与理想同步条件下的信息基本一致，使得整个通信系统与理论同步取得完全一致的性能，可以有效纠正传输符号在量子信道中发生的信息丢失和错误，从而解决了量子安全直接通信中信息的可靠传输问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的适用于极低接收率的同步方法示意图；

图2为本发明实施例提供的hadamard码字基矩阵示意图；

图3为本发明实施例提供的适用于极低接收率的同步装置示意图；

图4为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的适用于极低接收率的同步方法示意图，如图1所示，本发明实施例提供一种适用于极低接收率的同步方法，该方法包括：

步骤s101、将目标扩频序列中的每一扩频比特分别与特定的码字空间扩频后的每一个扩频码字序列比较，分别记录相同位的个数，作为一组计数值，所述目标扩频序列为当前信息比特的扩频序列；

步骤s102、根据所述计数值，确定所述当前信息比特是否为同步位置。

具体来说，一个量子通信系统包括：发送端、量子信道和接收端。

在发送端，通过单光子源产生单光子信号，对单光子信号进行相位编码，编码产生的码字序列进行扩频，扩频之后产生多个扩频序列，一个信息比特对应一个扩频序列，一个扩频序列包括多个扩频比特，一个扩频序列中包括的扩频比特的个数为码字序列的扩频周期。最后，发送端将扩频产生的扩频比特经过量子信道传输到接收端。

在接收端，接收扩频比特流，首先，要根据接收的扩频序列完成同步。

当接收端同步成功之后，进行解扩、译码，从而成功获取信息。

下面以特定的码字空间为修正后的r阶hadamard码字空间为例进行说明。特定的码字空间除了可以为修正后的r阶hadamard码字空间，还可以为其他的码字空间。

同步开始时，首先，将目标扩频序列中的每一扩频比特分别与修正后的r阶hadamard码字空间扩频后的每一个扩频码字序列比较，分别记录相同位的个数，作为一组计数值，目标扩频序列为当前信息比特的扩频序列。修正后的r阶hadamard码字空间中扩频码字序列的个数为2^r+1，一组计数值共包含2^r对计数值。

然后，根据计数值，确定当前信息比特是否为同步位置。

本发明实施例提供的适用于极低接收率的同步方法，在极低的接收率条件下，在较短的扩频周期下，实现快速的完全同步，并且使得同步之后的解扩的信息与理想同步条件下的信息基本一致，使得整个通信系统与理论同步取得完全一致的性能，可以有效纠正传输符号在量子信道中发生的信息丢失和错误，从而解决了量子安全直接通信中信息的可靠传输问题。

在上述实施例的基础上，进一步地，

所述将目标扩频序列中的每一扩频比特分别与修正后的r阶hadamard码字空间扩频后的每一个扩频码字序列比较，具体包括：

将所述目标扩频序列中的第1个扩频比特分别与所述修正后的r阶hadamard码字空间的每一个扩频码字序列的第k位比较，第2个扩频比特分别与所述修正后的r阶hadamard码字空间的每一个扩频码字序列的第k+1位比较，第3个扩频比特分别与所述修正后的r阶hadamard码字空间的每一个扩频码字序列的第k+2位比较，直到第n-k个扩频比特分别与所述修正后的r阶hadamard码字空间的每一个扩频码字序列的第n位比较；

其中，n为扩频码字的扩频周期。

具体来说，从接收目标扩频序列的第一个扩频比特开始，将目标扩频序列中的第1个扩频比特分别与修正后的r阶hadamard码字空间的每一个扩频码字序列的第k位比较，第2个扩频比特分别与修正后的r阶hadamard码字空间的每一个扩频码字序列的第k+1位比较，第3个扩频比特分别与修正后的r阶hadamard码字空间的每一个扩频码字序列的第k+2位比较，依次类推，直到第n-k个扩频比特分别与修正后的r阶hadamard码字空间的每一个扩频码字序列的第n位比较，比较完成后，分别记录相同位的个数，得到2^r+1个的计数值，一组计数值。

n为扩频码字的扩频周期，k为搜索起点，即，从修正后的r阶hadamard码字空间的每一个扩频码字序列的第k位与目标扩频序列中的第1个扩频比特进行比较。

本发明实施例提供的适用于极低接收率的同步方法，在极低的接收率条件下，在较短的扩频周期下，实现快速的完全同步，并且使得同步之后的解扩的信息与理想同步条件下的信息基本一致，使得整个通信系统与理论同步取得完全一致的性能，可以有效纠正传输符号在量子信道中发生的信息丢失和错误，从而解决了量子安全直接通信中信息的可靠传输问题。

在以上各实施例的基础上，进一步地，所述根据所述计数值，确定所述当前信息比特是否为同步位置，具体包括：

若判断获知存在某一对计数值中的其中一个计数值大于第一阈值，且另一个计数值小于第二阈值，则确定所述当前信息比特为同步位置，系统进入同步状态，其中，所述第一阈值大于所述第二阈值，所述修正后的r阶hadamard码字空间中扩频码字序列的个数为2^r+1，所述计数值中共有2^r对计数值。

具体来说，2^r+1个计数值共有2^r对计数值，针对计数值的大小进行分阶段的讨论，如果出现某一对计数值的其中一个值极大，另一个值几乎为0，即，如果存在某一对计数值中的其中一个计数值大于第一阈值，且另一个计数值小于第二阈值，则确定当前信息比特为同步位置，系统进入同步状态，其中，第一阈值大于第二阈值，第一阈值相对于第二阈值为极大值，第二阈值相对于第一阈值几乎为0，修正后的r阶hadamard码字空间中扩频码字序列的个数为2^r+1，计数值中共有2^r对计数值。

本发明实施例提供的适用于极低接收率的同步方法，在极低的接收率条件下，在较短的扩频周期下，实现快速的完全同步，并且使得同步之后的解扩的信息与理想同步条件下的信息基本一致，使得整个通信系统与理论同步取得完全一致的性能，可以有效纠正传输符号在量子信道中发生的信息丢失和错误，从而解决了量子安全直接通信中信息的可靠传输问题。

在以上各实施例的基础上，进一步地，所述根据所述计数值，确定所述当前信息比特是否为同步位置，具体包括：

若判断获知任一对计数值中的两个计数值之差的绝对值均小于第三阈值确不为零，则确定所述当前信息比特为非同步位置，系统进入失步状态。

具体来说，每一对计数值的值都比较接近，即，任一对计数值中的两个计数值之差的绝对值均小于第三阈值确不为零，则确定当前信息比特为非同步位置，系统进入失步状态。

本发明实施例提供的适用于极低接收率的同步方法，在极低的接收率条件下，在较短的扩频周期下，实现快速的完全同步，并且使得同步之后的解扩的信息与理想同步条件下的信息基本一致，使得整个通信系统与理论同步取得完全一致的性能，可以有效纠正传输符号在量子信道中发生的信息丢失和错误，从而解决了量子安全直接通信中信息的可靠传输问题。

取2^r对计数值，根据每一对计数值的大小，确定当前信息比特是否为同步位置。

本发明实施例提供的适用于极低接收率的同步方法，在极低的接收率条件下，在较短的扩频周期下，实现快速的完全同步，并且使得同步之后的解扩的信息与理想同步条件下的信息基本一致，使得整个通信系统与理论同步取得完全一致的性能，可以有效纠正传输符号在量子信道中发生的信息丢失和错误，从而解决了量子安全直接通信中信息的可靠传输问题。

下面以一个具体的例子，对上述方法进行详细说明：

采用的是由码长为4000，码率为0.5的ldpc码和4阶hadamard码字构成的级联码作为编码方法。hadamard码的码字空间由基矩阵构造，图2为本发明实施例提供的hadamard码字基矩阵示意图，如图2所示，每一个hadamard码字之间都是正交，其中信息位为[0,20,2¹,...,2^r-1]，最后一位是奇偶校验位。

1)在发送端，通过单光子源产生单光子信号，对单光子信号进行相位编码，根据ldpc和hadamard级联方式，将信息序列编码成由多个16位hadamard码字相连，hadamard码字之间满足ldpc的校验矩阵的编码序列。

2)对每一个hadamard码字进行扩频，扩频周期为64，扩频之后的新的码字长度为64*16，选取一段长度为64*16的伪随机序列，并将所有扩频后用于信息传输的码字序列与伪随机序列对应位置相乘，得到修正后的序列，修正后的序列相关性能好。将修正后的码字序列通过量子信道。

3)在接收端，先将接收的每一帧进行存储，从接收的第一个比特开始，利用修正后的扩频hadamard码字序列的相关性，将每一按顺序选择长度为64*16的码字序列与扩频修正后的码字空间的32个序列在状态机内进行比较。从接收序列的第一个扩频比特开始，每一个扩频周期的扩频比特分别与扩频修正后的hadamard序列，根据设定的门限值判断当前比特的状态从而判断系统当前的状态，从而确定同步的位置。

4)从接收到的第一个长度为64*16的序列开始，用32个特定序列进行移比较，每一次移位都得到16对计数值，存储经过了64*16次移位后的计数值，对于每一个特定的序列，找出满足阈值条件的值，并记下当前移位的位置，之后再选择接收的第二段长度为64*16的序列，与第一段序列相同，找出满足条件的位置，经过若干次比较后，找出出现次数最多的位置，该位置则是同步的位置。

对接收端在不同信号接收率下恢复的接收信息序列的误比特率(ber)进行了测试，测试结果如表1所示。在接收率大于等于0.004的条件下，实验结果的误码率和理想情况下的误码率是非常接近，可以表明，同步的性能几乎可以达到完全同步。

表1测试结果

图3为本发明实施例提供的适用于极低接收率的同步装置示意图，如图3所示，本发明实施例提供一种适用于极低接收率的同步装置，用于执行上述任一实施例中所述的方法，具体包括比较模块301和同步模块302，其中：

比较模块301用于将目标扩频序列中的每一扩频比特分别与特定的码字空间扩频后的每一个扩频码字序列比较，分别记录相同位的个数，作为一组计数值，所述目标扩频序列为当前信息比特的扩频序列；同步模块301用于根据所述计数值，确定所述当前信息比特是否为同步位置。

具体来说，一个量子通信系统包括：发送端、量子信道和接收端。

在发送端，通过单光子源产生单光子信号，对单光子信号进行相位编码，编码产生的码字序列进行扩频，扩频之后产生多个扩频序列，一个信息比特对应一个扩频序列，一个扩频序列包括多个扩频比特，一个扩频序列中包括的扩频比特的个数为码字序列的扩频周期。最后，发送端将扩频产生的扩频比特经过量子信道传输到接收端。

当接收端同步成功之后，进行解扩、译码，从而成功获取信息。

当接收端根据当前信息比特没有同步成功时，需要根据下一信息比特的扩频序列进行同步，直到同步成功。

同步开始时，首先，通过比较模块301将目标扩频序列中的每一扩频比特分别与特定的码字空间扩频后的每一个扩频码字序列比较，分别记录相同位的个数，作为一组计数值，目标扩频序列为当前信息比特的扩频序列。

然后，通过同步模块302根据计数值，确定当前信息比特是否为同步位置。

本发明实施例提供的适用于极低接收率的同步装置，在极低的接收率条件下，在较短的扩频周期下，实现快速的完全同步，并且使得同步之后的解扩的信息与理想同步条件下的信息基本一致，使得整个通信系统与理论同步取得完全一致的性能，可以有效纠正传输符号在量子信道中发生的信息丢失和错误，从而解决了量子安全直接通信中信息的可靠传输问题。

图4为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图，如图4所示，所述设备包括：处理器(processor)401、存储器(memory)402和总线403；

其中，处理器401和存储器402通过所述总线403完成相互间的通信；

处理器401用于调用存储器402中的程序指令，以执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：

将目标扩频序列中的每一扩频比特分别与特定的码字空间扩频后的每一个扩频码字序列比较，分别记录相同位的个数，作为一组计数值，所述目标扩频序列为当前信息比特的扩频序列；

根据所述计数值，确定所述当前信息比特是否为同步位置。

此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本发明实施例提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：

将目标扩频序列中的每一扩频比特分别与特定的码字空间的每一个扩频码字序列比较，分别记录相同位的个数，作为一组计数值，所述目标扩频序列为当前信息比特的扩频序列；

根据所述计数值，确定所述当前信息比特是否为同步位置。

本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：

将目标扩频序列中的每一扩频比特分别与特定的码字空间扩频后的每一个扩频码字序列比较，分别记录相同位的个数，作为一组计数值，所述目标扩频序列为当前信息比特的扩频序列；

根据所述计数值，确定所述当前信息比特是否为同步位置。

以上所描述的装置及设备等实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。