量子卫星光网络前瞻
发布时间：2021-02-27 09:23
随着量子密钥分发（Quantun Key Distribution,QKD）在信息理论上的安全性认证及第一颗量子科学实验卫星"墨子号"的成功部署,QKD在自由空间上的应用引起了网络安全通信领域研究人员的广泛关注。自由空间远程QKD具有低衰减、广覆盖的特点,可以克服基于地面光纤QKD网络传输距离的限制。然而,目前自由空间中只有一颗量子卫星,量子卫星光组网还面临许多机遇和挑战。针对上述背景,从量子光网络现状、量子卫星光网络现状、量子卫星光网络架构和关键技术以及量子卫星光网络的发展前景四个方面,对量子卫星光网络进行全面分析和阐述,剖析了自由空间QKD未来研究趋势及在实际应用中所面临的难题。总体而言,量子卫星光网络发展空间很大,量子卫星组网仍需深入研究以加快技术成果转化,从而充分发挥其在未来网络安全上的优势。
【文章来源】：无线电通信技术. 2020,46(06)
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图1 双层量子卫星网络架构图
由于自由空间链路的通信距离较长,卫星量子密钥分发的密钥生成速率较低,同时信号传输的往返时延高。在目前的量子卫星实验中,星地QKD的密钥速率最高只能达到400 kbit/s左右。因此,为了克服卫星QKD密钥速率较低的缺点,可在星地和星间量子通信中使用量子密钥池(QKP)技术[18],如图2所示。其核心思想是在每对连接的节点之间持续地产生并共享量子密钥,然后将密钥存储在量子密钥池中。在每个量子节点处,均具备量子密钥存储模块,其作用是存储生成的密钥比特串;而在卫星网络的管控中心,将会把每个节点处的密钥抽象到网络资源数据库(记录密钥ID),当需要加密数据时分配密钥资源。假设其在QKD过程中会提前分配量子信道和经典信道的波长,而多个密钥中继业务将通过时分复用的方式共享经典信道波长,其时隙将会被动态分配。
JGL-RKA算法可根据是否存在高低轨间链路执行不同的接入卫星选择子算法:联合使用高低轨(Joint GEO and LEO Access,JGLA)算法和单独使用高低轨(Separated GEO and LEO Access,SGLA)算法。图3展示了2种不同网络拓扑下的路由选择示意图,红色线代表只用LEO单层卫星进行接入路由,绿色线表示可综合利用GEO和LEO层进行路由。在图3(a)中,由于层间链路的存在,JGLA算法可以同时使用2种卫星接入地面站;在图3(b)中,由于没有层间链路,SGLA算法只能使用GEO或LEO进行接入。在接入卫星选择子算法中,JGLA算法首先为地面站寻找拥有足够带宽和密钥资源的LEO接入卫星,当寻找失败时,转而选择GEO卫星接入,源、宿地面站的选择过程一致;而在SGLA算法中,当地面站寻找不到可用LEO卫星时,源、宿地面站便同时转向选择GEO卫星接入,仅使用高轨道层进行密钥中继。JGL-RKA算法主要分为星地路由和星间路由两大步骤。在星地路由过程中,首先为源、宿地面节点选择接入卫星,当业务请求到达时,根据当前时间点获取拓扑矩阵,更新网络资源图,然后根据是否存在层间链路,分别执行JGLA或SGLA子算法;在星间路由过程中,根据选择的源宿接入卫星,使用最短径算法计算星间的传输路径,然后相应地分配每条链路上的资源,按照首次命中的策略选取时隙和密钥。
【参考文献】：
期刊论文
[1]软件定义光接入网[J]. 赵永利,吴家林,张杰. 中兴通讯技术. 2014(05)
本文编号：3054024
【文章来源】：无线电通信技术. 2020,46(06)
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图1 双层量子卫星网络架构图
由于自由空间链路的通信距离较长,卫星量子密钥分发的密钥生成速率较低,同时信号传输的往返时延高。在目前的量子卫星实验中,星地QKD的密钥速率最高只能达到400 kbit/s左右。因此,为了克服卫星QKD密钥速率较低的缺点,可在星地和星间量子通信中使用量子密钥池(QKP)技术[18],如图2所示。其核心思想是在每对连接的节点之间持续地产生并共享量子密钥,然后将密钥存储在量子密钥池中。在每个量子节点处,均具备量子密钥存储模块,其作用是存储生成的密钥比特串;而在卫星网络的管控中心,将会把每个节点处的密钥抽象到网络资源数据库(记录密钥ID),当需要加密数据时分配密钥资源。假设其在QKD过程中会提前分配量子信道和经典信道的波长,而多个密钥中继业务将通过时分复用的方式共享经典信道波长,其时隙将会被动态分配。
JGL-RKA算法可根据是否存在高低轨间链路执行不同的接入卫星选择子算法:联合使用高低轨(Joint GEO and LEO Access,JGLA)算法和单独使用高低轨(Separated GEO and LEO Access,SGLA)算法。图3展示了2种不同网络拓扑下的路由选择示意图,红色线代表只用LEO单层卫星进行接入路由,绿色线表示可综合利用GEO和LEO层进行路由。在图3(a)中,由于层间链路的存在,JGLA算法可以同时使用2种卫星接入地面站;在图3(b)中,由于没有层间链路,SGLA算法只能使用GEO或LEO进行接入。在接入卫星选择子算法中,JGLA算法首先为地面站寻找拥有足够带宽和密钥资源的LEO接入卫星,当寻找失败时,转而选择GEO卫星接入,源、宿地面站的选择过程一致;而在SGLA算法中,当地面站寻找不到可用LEO卫星时,源、宿地面站便同时转向选择GEO卫星接入,仅使用高轨道层进行密钥中继。JGL-RKA算法主要分为星地路由和星间路由两大步骤。在星地路由过程中,首先为源、宿地面节点选择接入卫星,当业务请求到达时,根据当前时间点获取拓扑矩阵,更新网络资源图,然后根据是否存在层间链路,分别执行JGLA或SGLA子算法;在星间路由过程中,根据选择的源宿接入卫星,使用最短径算法计算星间的传输路径,然后相应地分配每条链路上的资源,按照首次命中的策略选取时隙和密钥。
【参考文献】：
期刊论文
[1]软件定义光接入网[J]. 赵永利,吴家林,张杰. 中兴通讯技术. 2014(05)
本文编号：3054024
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/wltx/3054024.html
