[發明專利]基于衛星的廣域量子通信網絡系統及通信方法

在審

• 申請號: 201610364910.7
• 申請日: 2016-05-27
• 公開（公告）號: CN107437995A
• 公開（公告）日: 2017-12-05
• 發明（設計）人: 權東曉;王賀;朱暢華;陳南;易運暉;何先燈;趙楠;裴昌幸
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H04L9/08
• 分類號: H04L9/08;H04B7/185
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心61205
• 代理人: 韋全生,王品華

技術領域

本發明屬于通信技術領域，涉及一種量子通信網絡及通信方法，具體涉及一種基于衛星的廣域量子通信網絡系統及通信方法，可用于構建覆蓋全球的量子通信網絡。

背景技術

量子通信是利用量子力學系統和信息論理論從而達到信息的無條件安全傳輸的一種通信方式。它具有無條件的絕對安全性、傳輸的高效性等特點，因此，得到了廣泛的重視，取得了快速的發展。一些公司和研究機構已經開始嘗試以不同方式建立量子通信網絡，包括美國國防部高級研究計劃局DARPA量子通信網絡、歐洲建立的保密通信網絡SECOQC、東京量子密鑰分發網絡、量子電話網和量子政務網。這些量子通信網絡都是局域量子通信網絡，且包含的節點數目都只有3到10個，即使2013年我國建成的世界上規模最大，功能最齊全的濟南量子保密通信實驗網也只有56個節點。

為了解決傳統量子通信網絡僅可以實現局域量子通信網絡的問題，研發人員做了進一步探索。例如，在2014年，王雙等在期刊Optics Express 22(18)21739-21756頁發表文章《Field and long-term demonstration of a wide area quantum key distribution network》，提出了一種廣域量子通信網絡，該網絡覆蓋巢湖、蕪湖和合肥三個城市，其中巢湖包括一個作為可信中繼的節點，蕪湖包括三個節點，合肥包括五個節點，這些節點包括量子密鑰分發QKD設備、光交換機和量子密鑰分發QKD路由器，節點之間是通過光纖鏈路相聯。在通信過程中，相鄰節點之間通過光纖鏈路協商密鑰，并利用其協商出的密鑰對信息進行加密，實現了三個城市之間的互聯，通信范圍達到150km。但是，該網絡只有九個節點，不能滿 足大規模量子通信網絡的需求，且通信范圍較小。因此需要更進一步探索如何擴大量子通信網絡規模及擴展量子安全通信距離。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術存在的缺陷，提出了一種基于衛星的廣域量子通信網絡系統及通信方法，用于解決現有量子通信網絡系統及通信方法中存在的網絡規模小和通信距離短的技術問題。

為實現上述目的，本發明采取的技術方案為：

一種基于衛星的廣域量子通信網絡系統，包括多個量子可信中繼、多個地面站3、多個量子終端、多條光纖量子密鑰分發鏈路4和多條自由空間量子密鑰分發鏈2，其中：

量子可信中繼包括配置有QKD終端的量子路由器13、衛星11和量子網關12，用于擴展量子密鑰分發的有效距離以及加密和解密信息，其中量子路由器13還用于路由管理，量子網關12還用于中繼信令消息；

地面站3包括QKD終端和光學設備，用于實現星地量子密鑰分發；

量子終端包括固定電話54、計算機51、移動用戶52和車載53；

光纖量子密鑰分發鏈路4和自由空間量子密鑰分發鏈路2，均包括至少一條經典信道和一條量子信道，經典信道用于傳輸量子密鑰分發的輔助信息和加密后的數據，量子信道用于傳輸密鑰協商產生的量子態；其中光纖量子密鑰分發鏈路4用于實現量子網關12與量子路由器13、地面站3、固定電話54、計算機51及量子路由器13之間的聯接；自由空間量子密鑰分發鏈路2用于實現衛星11與地面站3及衛星11之間的聯接。

上述基于衛星的廣域量子通信網絡系統，所述的量子密鑰分發，用于協商通信雙方加密信息所需要的密鑰。

上述基于衛星的廣域量子通信網絡系統，衛星11采用低軌道衛星。

上述基于衛星的廣域量子通信網絡系統，地面站3采用光學地面站。

一種基于衛星的廣域量子通信網絡系統的通信方法，包括如下步驟：

(1)各個量子可信中繼之間以及量子可信中繼與地面站之間通過量子密鑰分發鏈路協商出量子密鑰，并且將該量子密鑰存儲在鏈路兩端的地面站或量子可信中繼；

(2)源量子終端與目的量子終端建立連接，并向與其相聯的量子網關發送信息；

(3)量子網關判斷接收到的信息的IP數據報的數據域，是否為數據包，若是，執行步驟(4)，否則，將接收到的信息通過經典信道發送給目的量子終端；

(4)量子網關利用步驟(1)中存儲的量子密鑰，對其接收到的信息進行逐跳加密并傳送，按如下步驟實現：

(4a)量子網關判斷其存儲的量子密鑰量是否大于其接收到的信息的比特數，若是，利用其存儲的量子密鑰對接收到的信息進行加密，并將加密后的信息通過經典信道傳輸給其相鄰節點，并執行步驟(4b)，否則，通知源量子終端與目的量子終端中斷通信，并執行步驟(5)；