CN111431623B - 可实现多种性能和功能的星地一体化量子通信网络及其配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种可实现多种性能和功能的星地一体化量子通信网络及其配置方法，其中，该配置方法包括：将卫星系统和地面站系统配置成能够用于共同实现密钥和/或信息的保护以及量子密钥的生成；将应用系统配置成能够用于实现密钥和/或信息的输入、输出及处理；将卫星系统、地面站系统和应用系统配置成能够用于共同实现该量子通信网络的运控管理和运维管理；在该量子通信网络中配置密钥分发功能、密钥传输功能和信息传输功能；将卫星系统的有效口径配置成足够大以便能够适应地面站系统的有效口径；以及，地面站系统包括基础部分和望远镜部分，且将基础部分和/或望远镜部分配置成包括通用模块。

Description

可实现多种性能和功能的星地一体化量子通信网络及其配置 方法

技术领域

本发明涉及量子通信领域，具体涉及一种能够实现多种性能和多种功能的星地一体化量子通信网络及其配置方法。

背景技术

目前，量子通信技术正逐步由科学试验走向业务运行阶段。利用航天手段实现量子通信的快速全球覆盖是有效的方法之一。多个国家正在实施试验型的量子通信卫星。但是星地一体化量子通信网络距离真正业务化、实用化还需要解决接入多用户的诸多工程问题。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种可实现多种性能和功能的星地一体化量子通信网络的配置方法，所述星地一体化量子通信网络包括卫星系统、地面量子通信网、地面站系统和应用系统，其中，所述配置方法包括：

将所述卫星系统和所述地面站系统配置成能够用于共同实现密钥和/或信息的保护以及量子密钥的生成；

将所述应用系统配置成能够用于实现所述密钥和/或信息的输入、输出及处理；

将所述卫星系统、所述地面站系统和所述应用系统配置成能够用于共同实现所述星地一体化量子通信网络的运控管理和运维管理；

在所述星地一体化量子通信网络中配置密钥分发功能、密钥传输功能和信息传输功能；

将所述卫星系统的有效口径配置成足够大以便能够适应所述地面站系统的有效口径；以及，

所述地面站系统包括基础部分和望远镜部分，且将所述基础部分和/或所述望远镜部分配置成包括通用模块。

进一步地，借助所述密钥分发功能，能够在属于不同的所述地面量子通信网的所述地面站系统之间分发所述量子密钥，其中，所述不同的所述地面量子通信网之间不存在量子网络连接。

进一步地，借助所述密钥传输功能，能够借助所述量子密钥将存储于所述地面站系统中的所述密钥在未通过所述地面量子通信网连接的所述地面站系统之间传输。

进一步地，借助所述信息传输功能，能够直接借助所述地面站系统与所述卫星系统之间的激光通信将存储于所述地面站系统中的所述信息在所述地面站系统之间传输，并且所述信息的加密和解密在所述地面站系统中进行。

更进一步地，用于所述信息的所述加密和解密的密钥通过传统密钥体系生成，或者通过量子密钥分发的方式生成。

进一步地，所述基础部分的通用模块包括便携式基础、固定式基础、车载式基础和舰载式基础中的一个或多个；并且/或者，所述望远镜部分的通用模块包括固定口径的镜筒，且所述望远镜部分包括一个所述固定口径的镜筒或者多个所述固定口径的镜筒的组合。

进一步地，本发明的配置方法还可以包括信息安全管理步骤，其中，将所述星地一体化量子通信网络中的所述信息分为密钥生成信息、密钥服务信息、网络系统运控管理信息和网络系统运维管理信息，定义密钥分发安全域、密钥服务安全域、运控管理安全域和运维管理安全域，并且将所述密钥生成信息、所述密钥服务信息、所述网络系统运控管理信息和所述网络系统运维管理信息分别纳入所述密钥分发安全域、所述密钥服务安全域、所述运控管理安全域和所述运维管理安全域中进行安全管理。

更进一步地，所述安全域的安全等级和控制要求根据所述星地一体化量子通信网络的系统设计要求来确定；并且/或者，所述安全域的控制要求包括所述安全域的信息控制范围要求和所述安全域之间信息交换要求。

又进一步地，在所述星地一体化量子通信网络中，与所述信息相关的硬件和软件的安全设计符合所述信息所在的所述安全域的所述安全等级和所述控制要求。

本发明的另一方面还公开了一种利用上述配置方法实现的可实现多种性能和功能的星地一体化量子通信网络。

附图说明

图1示出了本发明的星地一体化量子通信网络的一种示例性配置；

图2示出了本发明的用于配置在星地一体化量子通信网络中的密钥传输功能的工作原理图；

图3示出了本发明的用于配置在星地一体化量子通信网络中的信息传输功能的工作原理图；以及

图4示出了本发明的用于配置在星地一体化量子通信网络中的一种示例性信息安全管理方案。

具体实施方式

在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。

在本发明中，星地一体化量子通信网络包括卫星系统、地面量子通信网及地面站系统。

地面量子通信网解决业务密集地区(例如城市或城市群等)内部的量子通信，其中借助地面光纤网将各用户连接起来。在本发明中，量子通信网络可以有多个。

卫星系统实现各地面量子通信网之间、地面量子通信网与偏远地区(如海岛、边境或人口稀少地区等)之间的量子通信，从而实现全球覆盖，既解决了业务密集地区的大容量业务需求，又解决了偏远地区的长距离量子通信需求。

此外，应用系统、运载系统、发射场系统和测控系统中的一个或多个也可以配置为本发明的星地一体化量子通信网络中的一部分。其中，运载系统和发射场系统的主要任务是将卫星发射至目标轨道。图1示出了本发明的星地一体化量子通信网络的一种示例性配置。

当卫星进入目标轨道后，卫星系统、地面站系统、应用系统在测控系统的配合下开展在轨业务，由密钥/信息分发、密钥/信息服务、运控管理和运维管理四个功能模块协作完成。其中，密钥/信息分发模块用于密钥/信息保护和量子密钥的生成，其由卫星系统和地面站系统共同完成。密钥/信息服务主要包括密钥/信息的输入/输出和处理，其由应用系统完成。运控管理主要包括任务请求、反馈、调度、执行、监督以及密钥生成控制等，其由卫星系统、地面站系统和应用系统共同完成。运维管理功能主要包括设备状态、天气状态、任务状态监控等，其由卫星系统、地面站系统和应用系统共同完成。

在本发明的星地一体化量子通信网络中配置有三种数据保密传输功能，以与诸如用户传统密码体系等各种应用场合相匹配，从而有效实现了量子技术与密码体系的有机结合。

具体而言，这三种数据保密传输功能包括密钥分发功能、密钥传输功能和信息传输功能。

在实际应用中，某些地面站系统分属于不同的地面量子通信网络，而当不同地面量子通信网络之间不存在量子网络连接，但这些不同地面量子通信网络中的地面站系统之间又希望进行量子保密通信时，此时本发明的密钥分发功能就能够解决这一问题。举例而言，第一地面量子通信网络与第二地面量子通信网络之间不存在量子网络连接，仅存在经典通信网络连接，当需要在第一地面量子通信网络中的地面站系统A与第二地面量子通信网络中的地面站系统B之间开展量子保密通信时，则在本发明所配置的星地一体化量子通信网络中，可以通过启动密钥分发功能来使得地面站系统A和B之间的量子保密通信变为可能，即：借助卫星系统向地面站系统A和B分发量子密钥，地面站系统A和B获得所分发的量子密钥后，即可借助经典通信网络实现两者之间的量子保密通信。作为应用场景的示例，该密钥分发功能可以适用于VPN或者视频会议等应用场景。

在实际应用中，一些用户往往已经建立了完整、健全的传统密码系统和密钥生产体系；或者在一些应用中，密钥采用人工携带的方式进行分发。这些用户往往采用孤立站点，各个地面站点之间无地面量子通信网络连接。此时，如果直接改用量子密钥，则会与用户已经建成的密码体系发生严重冲突。密钥传输功能就是针对这类应用场景所提出的。根据本发明，为了与此类用户匹配，在星地一体化量子通信网络中采用多信道协同工作方式实现用户密钥的传输功能，同步光与激光通信复用实现激光通信，通过激光通信功能实现用户密钥的加密上传。

图2示出了本发明的密钥传输功能的工作原理。如图2所示，用户A可以连接上地面站系统1，用户B可以连接上地面站系统2，而地面站系统1和地面站系统2之间不能通过地面量子通信网络连接。

为了将用户A的用户密钥传输给用户B，可以在卫星系统和地面站系统1之间分发第一量子密钥。地面站系统1获得第一量子密钥之后，将用户A的用户密钥用第一量子密钥进行加密(例如采用一次一密的方式)，并将经加密的用户密钥上传至卫星系统。卫星系统将该经加密的用户密钥以密文的形式下传给地面站系统2。

在卫星系统和地面站系统2之间分发第二量子密钥。卫星系统中将具有第一量子密钥和第二量子密钥，并且以第二量子密钥对第一量子密钥进行加密操作(例如异或运算)，然后同样将经加密的第一量子密钥以密文的形式下传给地面站系统2，例如该密文可以是第一量子密钥和第二量子密钥的异或运算密文。

此时，在地面站系统2中，将会存在第二量子密钥、经第二量子密钥加密的第一量子密钥、以及经第一量子密钥加密的用户密钥。因此，地面站系统2将利用第二量子密钥对经加密的第一量子密钥进行解密操作(例如再次进行异或运算)，从而获得第一量子密钥；随后，利用第一量子密钥对经加密的用户密钥进行解密，从而获得用户密钥，由此实现用户A和用户B之间的用户密钥的传输。

在实际应用中，还可能存在这样的应用情景，即，用户缺乏地面量子通信网络保障，而在星地之间生成量子密钥的方式也不能完全解决用户的保密信息通信问题，但是用户信息(例如商业保密信息)又需要安全的传输途径。为此应用场合，本发明中引入了信息传输功能。类似地，为实现这一功能，在星地一体化量子通信网络中也是利用同步光和激光通信复用激光信道来实现。

下面通过示例来进一步说明信息传输功能的工作原理。假设需要在地面站系统A和地面站系统B之间进行商业保密信息的远程传送，为了获得高的保密程度，在信息传输功能下，可以预先在例如地面站系统A和/或地面站系统B中生成密钥，这种密钥可以是通过传统密钥体系生成的，也可以是以量子密钥分发的方式生成的量子密钥，且密钥的数量优选可以根据待传输的保密信息的数据量来确定(通常情况下，需要在该功能下传输的信息具有较大的数据量)。随后，在地面站A处利用预先生成并存储于本地的密钥对待传输的信息进行加密操作，并将经加密的信息借助激光通信的方式上传至卫星系统。接着，卫星系统同样借助激光通信的方式将该经加密的信息下传至地面站系统B。地面站系统B随后利用预先生成并存储于本地的密钥对所接收到的经加密的信息进行解密操作，从而实现地面站系统A和地面站系统B之间的信息的保密远程传送。由此，本领域技术人员容易理解，在这种信息传输功能下，地面站系统之间的信息数据传输是借助激光通信的方式经由卫星系统中转实现的，其传输过程并不发生于地面光纤通信网络，因此，其数据传输过程的保密程度可以得到极大提高。

图3示出了本发明的信息传输功能的工作原理图。

此外，本申请人注意，各种用户需要的性能和对地面站系统的需求不尽相同，例如，对性能高低的需求差异巨大，需要的一次成码量可能从数个字节到数百K之间不等，对地面站系统使用场景的需求可能涉及固定式、车载式或舰载式等等。因此，在本发明的星地一体化量子通信网络的配置中，对卫星系统采用统一设计，同时对于地面站系统采用通用模块式设计。

作为优选示例，在卫星系统的统一设计中，增大卫星的有效口径以适应不同口径的地面站系统。

在地面站系统的设计中，采用通用模块式设计实现等效口径的系列化配置。例如，地面站系统可以包括基础部分、望远镜部分、后光路部分及电子学部分，其中，基础部分可以包括便携式基础、固定式基础、车载式基础及舰载式基础。为实现性能系列化，同时降低产品种类，在本发明中，望远镜部分采用固定镜筒口径，通过多口径阵列拼接的方式在不同的地面站系统中实现高中低三种性能。例如，在望远镜部分中采用单镜筒，从而形成小性能的轻小型地面站系统；在望远镜部分中采用4镜筒，从而形成中等性能的地面站系统；而如果在望远镜部分中采用多组4镜筒以进行模块化组装，由此可以形成高性能的地面站系统。本领域技术人员容易理解，对于望远镜部分的不同实现形式，可以适应性的改变后光路和电子学部分以与望远镜部分相匹配。

通过将不同类型的基础部分和不同性能进行组合，可以实现多种地面站系统的型谱化设计，例如表1所示。

表1地面站系统的型谱

基础部分	便携式，固定式，车载式，舰载式
		成码性能	单镜筒(低)、4镜筒(中)、n×4镜筒(高)

在本发明中，借助这种型谱化设计方式可以高效且低成本地满足不同性能的地面站系统需求。

此外，在本发明的星地一体化量子通信网络的配置中还包括信息安全管理步骤。在该步骤中，将量子通信网络中的信息分为：A、密钥生成信息，即密钥生成前的信息；B、密钥服务信息，即密钥生成后的存储和处理信息；C、网络系统运控管理信息；D、网络系统运维管理信息。此外，在该步骤中，还相应地定义四种安全域，即：A、密钥分发安全域，B、密钥服务安全域，C、运控管理安全域，以及D、运维管理安全域；并且，将上述A、B、C和D四种信息分别纳入该四种安全域中进行安全管理。根据本发明，四种安全域的安全等级和控制要求可以根据网络系统设计要求来定义，作为示例，密钥分发安全域的安全等级可以设置为最高，密钥服务安全域的安全等级可以设置为中等，而运控管理安全域和运维管理安全域的安全等级可以设置为最低；安全域控制要求可以包括各安全域信息控制范围要求和安全域间信息交换要求。在这种安全管理模式下，与量子通信网络中的信息相关的硬件和软件的安全设计可以依照该信息所属的安全域的安全等级和控制要求来实施，从而形成了星地一体化量子通信网络的安全控制规则和不同信息的控制范围要求，使得在设计和配置星地一体化量子通信网络的软硬件时，能够在一定的安全要求框架内进行。图4 示出了一种信息安全管理的示例，用于说明本发明的信息安全管理步骤的原理。

本发明所提出的星地一体化量子通信网络的配置方法有效兼顾了用户的多样性需求，解决了量子通信实用化过程中面对不同用户的多功能和多性能需求的难题。

举例而言，1、通过在量子通信网络中配置密钥分发功能、密钥传输功能和信息传输功能等三种数据保密传输功能，使得星地一体化量子通信网络能够与各种用户的密码体系相匹配，极大改善了通信网络的应用性。

2、通过模块化和型谱化设计，方便地实现了用于不同工作场景和具有不同性能需求的地面站系统的配置。

3、通过信息安全域控制高效地实现了多性能多功能星地一体化量子通信网络信息安全保障。

上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，且在不发生矛盾的情况下，上述各种替换方式可以相互组合使用。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (8)

1.一种可实现多种性能和功能的星地一体化量子通信网络的配置方法，所述星地一体化量子通信网络包括卫星系统、地面量子通信网、地面站系统和应用系统，其中，所述配置方法 包括：

将所述卫星系统和所述地面站系统配置成能够用于共同实现密钥和信息的保护以及量子密钥的生成；

将所述应用系统配置成能够用于实现所述密钥和信息的输入、输出及处理；

将所述卫星系统、所述地面站系统和所述应用系统配置成能够用于共同实现所述星地一体化量子通信网络的运控管理和运维管理；

在所述星地一体化量子通信网络中配置密钥分发功能、密钥传输功能和信息传输功能，其中，借助所述密钥传输功能，能够借助所述量子密钥将存储于所述地面站系统中的所述密钥在未通过所述地面量子通信网连接的所述地面站系统之间传输，其中，所述密钥为用户密钥；

将所述卫星系统的有效口径配置成足够大以便能够适应所述地面站系统的有效口径；以及， 所述地面站系统包括基础部分和望远镜部分，且将所述基础部分和/或所述望远镜部分配置成包括通用模块；

并且还包括信息安全管理步骤，其中，将所述星地一体化量子通信网络中的所述信息分为密钥生成信息、密钥服务信息、网络系统运控管理信息和网络系统运维管理信息，定义密钥分发安全域、密钥服务安全域、运控管理安全域和运维管理安全域，并且将所述密钥生成信息、所述密钥服务信息、所述网络系统运控管理信息和所述网络系统运维管理信息分别纳入所述密钥分发安全域、所述密钥服务安全域、所述运控管理安全域和所述运维管理安全域中进行安全管理。

2.如权利要求1所述的配置方法，其中，借助所述密钥分发功能，能够在属于不同的所述地面量子通信网的所述地面站系统之间分发所述量子密钥，其中，所述不同的所述地面量子通信网之间不存在量子网络连接。

3.如权利要求1所述的配置方法，其中，借助所述信息传输功能，能够直接借助所述地面站系统与所述卫星系统之间的激光通信将存储于所述地面站系统中的所述信息在所述地面站系统之间传输，并且所述信息的加密和解密在所述地面站系统中进行。

4.如权利要求3所述的配置方法，其中，用于所述信息的所述 加密和解密的密钥通过传统密钥体系生成，或者通过量子密钥分发的方式生成。

5.如权利要求1所述的配置方法，其中，所述基础部分的通用模块包括便携式基础、固定式基础、车载式基础和舰载式基础中的一个或多个；并且/或者，所述望远镜部分的通用模块包括固定口径的镜筒，且所述望远镜部分包括一个所述固定口径的镜筒或者多个所述固定口径的镜筒的组合。

6.如权利要求1所述的配置方法，其中，所述安全域的安全等级和控制要求根据所述星地一体化量子通信网络的系统设计要求来确定；并且/或者，所述安全域的控制要求包括所述安全域的信息控制范围要求和所述安全域之间信息交换要求。

7.如权利要求6所述的配置方法，其中，在所述星地一体化量子通信网络中，与所述信息相关的硬件和软件的安全设计符合所述信息所在的所述安全域的所述安全等级和所述控制要求。

8.利用如权利要求1-7中任一项所述配置方法实现的可实现多种性能和功能的星地一体化量子通信网络。

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