基于大气湍流信道的共享随机光密钥生成理论与实验研究

Atmospheric-turbulence channel can be regarded as a physical entropy source shared by two FSO communicants, which is a potential resource for generating shared random optical secret keys. Unlike the traditional type of FSO channels, atmospheric-turbulence single-spatial-mode FSO channel, which transmits and detects the same spatial mode, satisfies the necessary precondition for generating shared random optical secret keys. Currently, there are few theoretical models for the statistics and temporal variation behavior of atmospheric-turbulence single-spatial-mode FSO channel states, and hence reliable guidelines for designing generation systems of shared random optical secret keys are unavailable. First, analytical treatment and numerical simulation will be performed to investigate the physical statistical properties of atmospheric-turbulence single-spatial-mode FSO channel, and relevant theoretical models will be developed to elucidate the channel's statistical law. Second, the type of atmospheric-turbulence single-spatial-mode FSO channel based on temporally alternate switch will be proposed to reduce the channel's correlation time and the corresponding extraction algorithm of secret keys will further be developed. Third, theoretical models for the secret key capacity will be developed to reveal the limiting capability of shared-optical-secret-key generation systems; the fundamental factors that impact the performance of shared-optical-secret-key generation systems will be studied; the condition of spatial decorrelation between the legitimate user's and eavesdropper's paths will be elucidated. Finally, outdoor experiments will be carried out to verify and improve the theoretical models. The results achieved by this project can provide new low-cost solutions based on the use of classical optical-communication components for applications related to long-range wireless random secret key distribution.

大气湍流信道可看作FSO通信双方共有的物理熵源，是能生成共享随机光密钥的潜在资源。与传统FSO信道形式不同，发射和探测相同空间模的大气湍流单空间模FSO信道满足产生共享随机光密钥的必要前提。目前，尚待建立完善的大气湍流单空间模FSO信道状态统计分布和时变特性理论模型，设计共享随机光密钥生成系统缺乏可靠理论指导。首先利用理论解析法和数值模拟研究大气湍流单空间模FSO信道物理统计特性，建立相应理论模型，以阐明信道状态变化统计规律；然后，构造多路分时选通大气湍流单空间模FSO信道形式，以缩短信道状态相关时间，并设计与之匹配的密钥提取算法；接着建立密钥容量模型以揭示共享随机光密钥生成系统极限性能，研究影响共享随机光密钥生成系统性能的关键因素，阐明合法通路与窃听支路信道状态的空间退相关条件；最后开展外场实验以检验和修正理论模型。本项目可为用经典光通信器件实现远距离无线随机密钥分配提供新的低成本方案。

通信安全是人们关注的一个热点问题。各种场合广泛使用数据加密技术来确保信息传输安全。共享密钥分配是加密安全通信中的关键操作。用基于计算安全的公钥机制实现共享密钥分配不能确保信息论安全性。自由空间光(FSO)信道中的大气湍流是良好的物理熵源，而且被信道两端共享，这为基于FSO信道提取共享密钥提供了可能。考虑到经典光通信技术已比较成熟，相关器件商用化程度高，本项目研究了基于大气经典光信道熵源生成共享随机密钥的方法，首先研究了大气湍流单空间模FSO信道状态统计特性理论，然后设计了基于多路分时选通大气湍流单空间模FSO信道的共享光密钥提取策略与算法，完成了共享光密钥生成系统性能建模与优化分析，最后开展了共享光密钥生成实验研究，并通过实施测量异常值筛除对密钥生成进行了修正。本项目完成了：⑴建立了单空间模FSO信道的瞬态光功率传输系数概率分布模型，提出使用双Johnson SB分布来描述瞬态光功率传输系数起伏概率分布；⑵设计出基于空间分集多路分时选通的大气湍流光信道共享随机比特提取模式，建立了两个相邻空间模接收器接收到的光信号的交叉相关理论模型；⑶设计出满足特定概率分布、自相关和交叉相关要求的随机信号采样值序列的计算机生成模型；⑷设计出基于多次筛选的多比特量化方案以及联合均值与方差、联合均值与导数的联合量化方案，基于重构滤波和频数均衡的量化方案，以及基于随机分组的矢量量化方案；⑸针对大气湍流FSO信道的连续接收光信号测量样本存在统计相关的问题，提出基于随机调制实现连续接收光信号测量样本去相关的方法；⑹为了从信息论角度分析从大气湍流FSO信道提取共享密钥的性能，建立了大气湍流FSO信道共享密钥提取的密钥容量模型；考虑随机调制大气湍流FSO信道，建立了窃听者在完全知道调制信号条件下的密钥容量模型；⑺针对在开展大气湍流FSO信道共享光密钥生成实验过程中发现接收光信号测量采样值有时存在明显异常值的问题，提出基于差分幅值比对的大气光信道密钥提取测量异常值筛除方法；⑻针对大气湍流FSO信道共享密钥提取应用，建立了基于并行级联低密度奇偶校验码(LDPC)的密钥协商模型，完成了基于并行级联LDPC的密钥协商模型性能分析。发表学术论文19篇，申请发明专利11件，获软件著作权1件，培养研究生13名。