CN112054852B - 一种基于卫星的天空地一体化量子通信系统 - Google Patents

一种基于卫星的天空地一体化量子通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于卫星的天空地一体化量子通信系统，包括：量子终端、地面中继、地面站、低轨卫星、高轨卫星；低轨卫星与低轨卫星之间形成星间量子链路，高轨卫星用于采集通信范围内的星间量子链路的拓扑，并与其他高轨卫星协商制定星间量子链路的路由信息，将协商好的星间量子链路路由信息下发给低轨卫星和地面站；量子终端与地面站之间直接连接，或通过地面中继连接；地面站与地面站之间通过量子信道连接，量子终端与量子终端之间通过量子信道连接，地面站与低轨卫星间形成星地量子链路；本发明还设计了特别的通信方法，能够降低整个链路中对于中继节点的安全性要求，另外，卫星仅参与密钥协商，不进行加解密计算，简化了卫星的操作。

Description

一种基于卫星的天空地一体化量子通信系统
技术领域
本发明涉及量子保密通信领域，尤其涉及一种基于卫星的天空地一体化量子通信系统。
背景技术
由于受到地理环境等因素的制约，陆地的通信系统不能很好的胜任某些极端环境，并且陆基有线通信系统容易被破坏，对于量子通信系统来说，目前的量子通信受制于量子态传输距离的限制，只能依赖可信中继实现远距离的量子通信。为了克服量子通信距离受限的问题，有人提出以卫星为中继进行广域量子通信，例如：专利CN107437995A公开了一种基于卫星的广域量子通信网络系统及通信方法，该系统中，采用卫星、量子路由、量子网关等设备作为中继装置，以实现广域范围内两个终端设备之间的量子密钥协商，最终实现广域量子保密通信。
但是，上述专利中，需要中继的信息需要逐跳经过每一个中继节点，这对中继节点的安全性要求较高，只要出现一个中继节点的密钥被破解，则整条中继链路都不安全。
另一方面，在上述专利中，卫星作为中继需要参与量子密钥的协商，还需要中继数据，操作较为复杂。
发明内容
发明目的：为克服现有技术的缺陷，本发明提出一种基于卫星的天空地一体化量子通信系统。能够降低整个链路中对于中继节点的安全性要求，另外，在本发明中，卫星仅参与密钥协商，不进行中间数据加解密计算及传递，大大简化了卫星的操作。
发明内容：为实现上述目的，本发明提出一种基于卫星的天空地一体化量子通信系统，包括：量子终端、地面中继、地面站、低轨卫星、高轨卫星；
低轨卫星与低轨卫星之间形成星间量子链路，高轨卫星用于采集通信范围内的星间量子链路的拓扑，并与其他高轨卫星协商制定星间量子链路的路由信息，将协商好的星间量子链路路由信息下发给低轨卫星和地面站；量子终端与地面站之间直接连接，或通过地面中继连接；地面站与地面站之间通过量子信道连接，量子终端与量子终端之间通过量子信道连接，地面站与低轨卫星间形成星地量子链路；
所述系统中，源量子终端与目标量子终端之间的通信过程包括以下步骤：
源量子终端与本地地面站之间直接协商或通过地面中继协商，得到原始密钥K；源量子终端用原始密钥K加密所要发送的消息T，并将加密数据通过经典通信发送给目标量子终端；
将源量子终端本地地面站与目标量子终端本地地面站之间的星地量子链路和星间量子链路作为中继链路，将中继链路中的各节点划分奇偶：与目标量子终端本地地面站直接连接的中继节点为奇节点，将这个中继节点的相邻中继节点作为偶节点，依次类推，直至所有中继节点划分完毕；
所述中继链路中的各中继节点与相邻节点协商出量子密钥；然后，每个奇节点将自己与相邻两个节点之间的量子密钥异或后传递给源量子终端本地地面站，每个偶节点将自己与相邻两个节点之间的量子密钥异或后传递给目标量子终端本地地面站；
源量子终端本地地面站接收到所有奇节点传递的密钥数据后，用自己与相邻中继节点的量子密钥与接收到的所有密钥数据异或，得到加密密钥，用加密密钥加密原始密钥K，然后将加密数据通过经典通信发送给目标量子终端本地地面站；
目标量子终端本地地面站接收到所有偶节点传递的密钥数据后，用自己与相邻中继节点的量子密钥异或所有接收到的密钥数据，得到解密密钥，用解密密钥解密来自源量子终端本地地面站的加密数据，得到原始密钥K；
目标量子终端本地地面站与目标量子终端之间协商出量子密钥，并基于协商出的量子密钥进行保密通信，将原始密钥K传递给目标量子终端；目标量子终端用原始密钥K解密源量子终端发送来的加密数据，得到T。
以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合。
可选的，所述地面站包括建设于陆地的路基平台和建设在海上的海面平台；所述地面站分为固定式地面站和移动式地面站。
可选的，所述系统还包括悬空平台，悬空平台设置在平流层，作为固定式地面站与低轨卫星之间的中继。此处采用这样的设计，是因为大气层的主要物质部分集中在对流层，对流层的高度在12-18公里，对流层内大气较为活跃，对量子通信的影响较大，因此通过采用悬空平台的设置可以让光子越过对流层直接和卫星进行信号传送，这样可以提高自由空间量子通信的效率。
可选的，所述悬空平台配置量子密钥协商设备，通过配置的量子密钥协商设备分别与所连接的固定式地面站和低轨卫星进行量子密钥协商。
可选的，所述悬空平台还可以仅作为量子中继器，用于为所连接的固定式地面站与低轨卫星在密钥协商过程中传输量子态。
本发明还提出另一种基于卫星的天空地一体化量子通信系统，该系统的整体结构与上述天空地一体化量子通信系统相同，仅系统中量子终端间的通信方式不同。本系统包括：量子终端、地面中继、地面站、低轨卫星、高轨卫星；
低轨卫星与低轨卫星之间形成星间量子链路，高轨卫星用于采集通信范围内的星间量子链路的拓扑，并与其他高轨卫星协商制定星间量子链路的路由信息，将协商好的星间量子链路路由信息下发给低轨卫星和地面站；量子终端与地面站之间直接连接，或通过地面中继连接；地面站与地面站之间通过量子信道连接，量子终端与量子终端之间通过量子信道连接，地面站与低轨卫星间形成星地量子链路；
所述系统中，源量子终端与目标量子终端之间的通信过程包括以下步骤：
源量子终端与本地地面站之间直接协商或通过地面中继协商，得到原始密钥K；源量子终端用原始密钥K加密所要发送的消息T，并将加密数据通过经典通信发送给目标量子终端；
将源量子终端本地地面站与目标量子终端本地地面站之间的星地量子链路和星间量子链路作为中继链路；中继链路中的各中继节点与相邻节点协商出量子密钥；
源量子终端本地地面站将自己与相邻中继节点的量子密钥与原始密钥K异或后发送给目标量子终端本地地面站，中继链路中的各中继节点分别将自己与相邻两中继节点的量子密钥异或后发送给目标量子终端本地地面站；
目标量子终端本地地面站用自己与相邻中继节点的量子密钥异或所有接收到的密钥数据，得到原始密钥K；
目标量子终端本地地面站与目标量子终端之间协商出量子密钥，并基于协商出的量子密钥进行保密通信，将原始密钥K传递给目标量子终端；目标量子终端用原始密钥K解密源量子终端发送来的加密数据，得到T。
针对所述另一种基于卫星的天空地一体化量子通信系统，以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合。
可选的，所述地面站包括建设于陆地的路基平台和建设在海上的海面平台；所述地面站分为固定式地面站和移动式地面站。
可选的，所述系统还包括悬空平台，悬空平台设置在平流层，作为固定式地面站与低轨卫星之间的中继。
可选的，所述悬空平台配置量子密钥协商设备，通过配置的量子密钥协商设备分别与所连接的固定式地面站和低轨卫星进行量子密钥协商。
可选的，所述悬空平台为量子中继器，用于为所连接的固定式地面站与低轨卫星在密钥协商过程中传输量子态。
有益效果：
1、本发明不在中继节点中传递特定的中继数据，这样就不存在中继数据需要逐跳经过所有中继节点的需求，也就降低了对中继节点的可信要求度。
2、在本发明中，卫星之间只进行量子密钥协商，无须进行量子密钥的中继，减少了卫星之间中继密钥传递的信息发送和接收，也减少了卫星中数据处理操作的复杂度。
3、在本发明中，采用中低轨道卫星搭建星间量子链路的设计，同时采用同步轨道的高轨道卫星对中低轨道卫星进行路由采集，具有较好的实现架构的稳定性。
4、本发明还采用悬空平台的设计，能够突破对流层对自由空间量子通信的影响。
附图说明
图1为实施例1涉及的系统结构图；
图2为实施例2涉及的系统结构图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。但应当理解的是，本发明可以以各种形式实施，以下在附图中出示并且在下文中描述的一些示例性和非限制性实施例，并不意图将本发明限制于所说明的具体实施例。
应当理解的是，在技术上可行的情况下，以上针对不同实施例所列举的技术特征可以相互组合，从而形成本发明范围内的另外的实施例。此外，本发明所述的特定示例和实施例是非限制性的，并且可以对以上所阐述的结构、步骤、顺序做出相应修改而不脱离本发明的保护范围。
本发明提出一种基于卫星的天空地一体化量子通信系统，能够基于卫星实现广域范围内的量子通信，下面将结合附图和具体实施例来详细说明。
实施例1：
图1示出了本实施例中的基于卫星的天空地一体化量子通信系统，包括：同步轨道卫星(G1、G2)、中低轨道卫星(L1、L2、L3、L4)、悬空平台D、固定式地面站C、地面接收端(J1、J2、J3、J4)、量子终端。固定式地面站C是固定式陆基平台固定式地面站C通过光纤连接地面的量子网络，该陆基平台也接入经典网络，这样固定式地面站C可以和地面其他量子网络的节点或者量子终端进行量子密钥协商；固定式地面站C还通过悬空平台D接入中低轨道卫星所形成的星间量子网络，从而能够与中低轨道卫星进行量子密钥协商。
同步轨道卫星能够覆盖某一较大的区域，和该区域上方的中低轨道卫星进行通信，记录该区域上方的中低轨道卫星的路由信息，整个系统由多颗同步轨道卫星组成，能够覆盖整个地球表面，同步轨道卫星之间构成星间链路，相邻的同步轨道卫星之间可以进行通信，同步轨道卫星主要用于具体的星间量子链路路由制定，然后将路由信息反馈给地面站和星间量子网络。上述中低轨道卫星构成星间量子网络，该星间量子网络的卫星采用极轨道星座构型，这样卫星间相互的位置比较固定，相邻的中低轨道卫星之间可以通过自由空间进行量子密钥协商，相应的卫星可以和地面站或者悬空平台进行量子密钥协商，参与星间量子密钥协商的卫星可以将与相邻节点卫星协商出的量子密钥异或操作后传送到地面接收端，地面接收端接收后将其发送至相应的地面站。
悬空平台通过系留光纤连接地面站，于是地面站可以通过光纤直接和悬空平台进行量子密钥协商。此时悬空平台可以为一个量子密钥的中继节点，悬空平台配备相应的量子密钥收发终端；或者，悬空平台也可以只是光信号的中转平台，此时地面站发送的光信号通过悬空平台发射到中低轨道卫星，进而实现地面站和上空卫星的量子密钥协商，此时悬空平台无需配备量子密钥收发终端。
上述系统中，假设A和B为两个量子终端，则A和B之间的通信过程如下：
节点A和地面站C建立量子链路，地面站C和上空的中低轨道卫星L1通过悬空平台D建立量子链路，该颗中低轨道卫星L1联系同步轨道卫星协商出具体的星间量子链路，然后相邻的节点之间进行量子密钥协商，同时对地面站C和地面站E之间的中继节点按照以下规则进行奇偶节点标注，该量子链路中和地面站E直接连接的悬空平台F为奇节点，然后直接和悬空平台连接的卫星为偶节点，然后依次为奇节点偶节点奇节点偶节点等等直到标记到和地面站C直接连接的悬空平台D，其中奇节点将其和相邻节点协商出的量子密钥异或后发送给地面站C，偶节点将其和相邻节点协商出的量子密钥异或后发送给地面站E。A和相邻的中继节点协商出量子密钥K，A利用量子密钥K对需要传送给B的数据进行加密(一般为异或操作)然后通过经典通信发送给B。A节点通过中继节点按照量子保密通信的方式将量子密钥K中继到地面站C，地面站C和悬空平台D协商出量子密钥K1；悬空平台D和此时上空的中低轨道量子卫星L1协商出量子密钥K2，悬空平台D将K1异或K2后发送给地面站E(在此附图中C-D-L1-L2-L3-L4-F-E构成星间量子链路，此时D节点为偶节点)；中低轨道量子卫星L1和L2进行自由空间量子通信协商出量子密钥K3，并且L1将K2异或K3发送给地面站C(此时L1节点为奇节点)；L2和L3进行自由空间量子密钥分发协商出量子密钥K4，并且L2将K3异或K4发送给地面站E(此时L2节点为偶节点)；L3和L4协商出量子密钥K5，并且L3将K4异或K5发送给地面站C(此时L3为奇节点)；L4和悬空平台F协商出量子密钥K6，并且L4将K5异或K6发送给地面站E(此时L4节点为偶节点)；悬空平台F和地面站E协商出量子密钥K7，并且悬空平台F将K6异或K7发送给地面站C(此时悬空平台F为奇节点)；地面站C根据上述信息可以得到加密密钥K1⊕(K6⊕K7)⊕(K4⊕K5)⊕(K2⊕K3)，即解密密钥为地面站C自身已有的量子密钥K1异或接收到的所有奇节点的密钥，地面站E根据上述量子密钥可以得到解密密钥K7⊕(K5⊕K6)⊕(K3⊕K4)⊕(K1⊕K2)，即解密密钥为地面站E自身已有的量子密钥K7异或接收到的所有偶节点的密钥。地面站C利用上述加密密钥将量子密钥K加密后发送到地面站E，地面站E利用上述解密密钥即可以解出量子密钥K。然后地面站E将量子密钥K通过量子中继节点发送到目标节点B，B利用量子密钥K即可以解出发送节点A发送的保密信息。
本实施例中还提出另一种A和B之间的通信方法，包括以下步骤：
节点A和地面站C建立量子链路，地面站C和上空的中低轨道卫星L1通过悬空平台D建立量子链路，该颗中低轨道卫星联系同步轨道卫星协商出具体的星间量子链路，然后星间量子链路中相邻的节点之间进行量子密钥协商。A和相邻的中继节点协商出量子密钥K，A利用量子密钥K对需要传送的数据进行加密然后通过经典通信发送给B。A节点通过中继节点按照量子保密通信的方式将量子密钥K中继到地面站C，地面站C和悬空平台D协商出量子密钥K1，然后地面站C节点将量子密钥K异或K1加密操作后通过经典通信传输至接收端的地面站E节点。悬空平台D和此时上空的中低轨道量子卫星L1协商出量子密钥K2，悬空平台D将K1异或K2后发送给地面站E；中低轨道量子卫星L1和L2进行自由空间量子通信协商出量子密钥K3，并且L1将K2异或K3发送给地面站E；L2和L3协商出量子密钥K4，并且L2将K3异或K4发送给地面站E；L3和L4协商出量子密钥K5，并且L3将K4异或K5发送给地面站E；L4和悬空平台F协商出量子密钥K6，并且L4将K5异或K6发送给地面站E；悬空平台F和地面站E协商出量子密钥K7，并且悬空平台F将K6异或K7发送给地面站E，地面站E根据上述量子密钥可以解出量子密钥K1，进而继续解出量子密钥K。然后地面站E将量子密钥K通过量子中继节点发送到目标节点B，B利用量子密钥K即可以解出发送节点A发送的保密信息。
实施例2：
本实施例基于对实施例1系统部分的变形而提出。在本实施例中，所述地面站是移动式的，此时移动式地面站将不再通过系留光纤和悬空平台连接，而是直接和上空通信条件最好的中低轨道卫星进行自由空间下的量子密钥协商。移动式地面站同样可以是陆地平台或是海上平台。图2示出了移动式海上平台作为地面站时，整个系统的结构。
所述海上平台可以是海上钻井平台、海上船舶、军舰潜艇等。
图2中，A为普通陆基量子终端节点，B为海上平台，则A和B之间的通信过程如下：
节点A和地面站C建立量子链路，地面站C和上空的中低轨道卫星L1通过悬空平台D建立量子链路，中低轨道卫星L1联系同步轨道卫星协商出具体的星间量子链路，然后相邻的节点之间进行量子密钥协商，同时对地面站C和海上平台B之间的中继节点按照以下规则进行奇偶节点标注，和海上平台直接连接的卫星为奇节点，然后依次为偶节点、奇节点、偶节点、奇节点等，直到标记到和地面站C直接连接的节点D。A和相邻的中继节点协商出量子密钥K，A利用量子密钥K对需要传送的数据进行加密然后通过经典通信发送给B。
A节点通过中继节点按照量子保密通信的方式将量子密钥K中继到地面站C，地面站C和悬空平台D协商出量子密钥K1。悬空平台D和此时上空的中低轨道量子卫星L1协商出量子密钥K2，悬空平台D将K1异或K2后发送给地面站C(因为附图中D此时为奇节点)；中低轨道量子卫星L1和L2进行自由空间量子通信协商出量子密钥K3，并且L1将K2异或K3发送给海上平台B(因为附图中L1此时为偶节点)；L2和L3协商出量子密钥K4，并且L2将K3异或K4发送给地面站C；L3和L4协商出量子密钥K5，并且L3将K4异或K5发送给海上平台B；L4和L5协商出量子密钥K6，并且L4将K5异或K6发送给地面站C；L5和L6协商出量子密钥K7，并且L5将K6异或K7发送给海上平台B；L6和海上平台B协商出量子密钥K8，并且L6将K7异或K8发送给地面站C；地面站C根据接收到的量子密钥异或自身量子密钥和量子密钥K，然后将该加密信息发送给海上平台B，海上平台B根据上述量子密钥可以解出量子密钥K，B利用量子密钥K即可以解出发送节点A发送的保密信息。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种基于卫星的天空地一体化量子通信系统，其特征在于，包括：量子终端、地面中继、地面站、低轨卫星、高轨卫星；
低轨卫星与低轨卫星之间形成星间量子链路，高轨卫星用于采集通信范围内的星间量子链路的拓扑，并与其他高轨卫星协商制定星间量子链路的路由信息，将协商好的星间量子链路路由信息下发给低轨卫星和地面站；量子终端与地面站之间直接连接，或通过地面中继连接；地面站与地面站之间通过量子信道连接，量子终端与量子终端之间通过量子信道连接，地面站与低轨卫星间形成星地量子链路；
所述系统中，源量子终端与目标量子终端之间的通信过程包括以下步骤：
源量子终端与本地地面站之间直接协商或通过地面中继协商，得到原始密钥K；源量子终端用原始密钥K加密所要发送的消息T，并将加密数据通过经典通信发送给目标量子终端；
将源量子终端本地地面站与目标量子终端本地地面站之间的星地量子链路和星间量子链路作为中继链路，将中继链路中的各节点划分奇偶：与目标量子终端本地地面站直接连接的中继节点为奇节点，将这个中继节点的相邻中继节点作为偶节点，依次类推，直至所有中继节点划分完毕；
所述中继链路中的各中继节点与相邻节点协商出量子密钥；然后，每个奇节点将自己与相邻两个节点之间的量子密钥异或后传递给源量子终端本地地面站，每个偶节点将自己与相邻两个节点之间的量子密钥异或后传递给目标量子终端本地地面站；
源量子终端本地地面站接收到所有奇节点传递的密钥数据后，用自己与相邻中继节点的量子密钥与接收到的所有密钥数据异或，得到加密密钥，用加密密钥加密原始密钥K，然后将加密数据通过经典通信发送给目标量子终端本地地面站；
目标量子终端本地地面站接收到所有偶节点传递的密钥数据后，用自己与相邻中继节点的量子密钥异或所有接收到的密钥数据，得到解密密钥，用解密密钥解密来自源量子终端本地地面站的加密数据，得到原始密钥K；
目标量子终端本地地面站与目标量子终端之间协商出量子密钥，并基于协商出的量子密钥进行保密通信，将原始密钥K传递给目标量子终端；目标量子终端用原始密钥K解密源量子终端发送来的加密数据，得到T。
2.根据权利要求1所述的一种基于卫星的天空地一体化量子通信系统，其特征在于，所述地面站包括建设于陆地的路基平台和建设在海上的海面平台；所述地面站分为固定式地面站和移动式地面站。
3.根据权利要求2所述的一种基于卫星的天空地一体化量子通信系统，其特征在于，所述系统还包括悬空平台，悬空平台设置在平流层，作为固定式地面站与低轨卫星之间的中继。
4.根据权利要求3所述的一种基于卫星的天空地一体化量子通信系统，其特征在于，所述悬空平台配置量子密钥协商设备，通过配置的量子密钥协商设备分别与所连接的固定式地面站和低轨卫星进行量子密钥协商。
5.根据权利要求3所述的一种基于卫星的天空地一体化量子通信系统，其特征在于，所述悬空平台为量子中继器，用于为所连接的固定式地面站与低轨卫星在密钥协商过程中传输量子态。
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