Luận Án Tiến Sĩ Kỹ Thuật Nghiên Cứu Cải Thiện Hiệu Năng Truyền Dẫn Quang Qua Không Gian Tự Do Trong Hệ Thống Phân Phối Khóa Lượng Tử Biến Liên Tục.pdf

x BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG n vă Luận án tiến sĩ ận Lu PHAN THỊ THU HẰNG ạc th NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN HIỆU NĂNG TRUYỀN DẪN QUANG QUA KHÔNG GIAN TỰ DO sĩ TRONG HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÓA LƯỢNG TỬ Ki nh BIẾN LIÊN TỤC tế LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội, 2023 BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG ận Lu n vă Luận án tiến sĩ PHAN THỊ THU HẰNG th NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN HIỆU NĂNG ạc TRUYỀN DẪN QUANG QUA KHÔNG GIAN TỰ DO sĩ TRONG HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÓA LƯỢNG TỬ Ki nh BIẾN LIÊN TỤC tế Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 9.52.02.08 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Đặng Thế Ngọc PGS.TS Lê Hải Châu Hà Nội, 2023 i LỜI CAM ĐOAN Nghiên cứu sinh xin cam đoan công trình nghiên cứu Các số liệu, kết luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình tác giả khác Tất kế thừa tác giả khác trích dẫn Người cam đoan n vă ạc th Luận án tiến sĩ ận Lu Phan Thị Thu Hằng sĩ nh Ki tế ii LỜI CẢM ƠN Trong trình nghiên cứu hoàn thành luận án này, nghiên cứu sinh nhận nhiều giúp đỡ đóng góp quý báu Lời đầu tiên, nghiên cứu sinh xin bày tỏ biết ơn sâu sắc tới Thầy hướng dẫn, PGS.TS Đặng Thế Ngọc PGS.TS Lê Hải Châu, định hướng liên tục hướng dẫn nghiên cứu sinh thực nhiệm vụ nghiên cứu suốt trình thực luận án Đặc biệt, hướng dẫn tận tình ý kiến quý báu từ PGS.TS Đặng Thế Ngọc giúp nghiên cứu sinh nhiều việc hoàn thiện Lu luận án Luận án tiến sĩ ận Nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban lãnh đạo, vă Thầy/Cô Khoa Đào tạo sau đại học Khoa Viễn thơng Học viện Cơng n nghệ Bưu Viễn thông tạo điều kiện thuận lợi để nghiên cứu sinh hoàn thành th nhiệm vụ Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, ạc đơn vị chủ quản, cho phép tạo điều kiện cho nghiên cứu sinh tham gia sĩ hồn thành chương trình đào tạo tiến sĩ Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng cảm Ki ơn sâu sắc đến TS Vũ Trung Kiên, TS Tống Văn Luyên, người hỗ trợ nh nghiên cứu sinh thời gian hoàn thành nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa Điện tử anh chị em đồng nghiệp thuộc Khoa Điện tử, trường tế Đại học Công nghiệp Hà Nội tạo điều kiện giúp nghiên cứu sinh hoàn thành luận án Xin bày tỏ lòng cảm ơn tới gia đình kiên trì chia sẻ động viên nghiên cứu sinh suốt trình thực nội dung luận án Hà Nội, tháng năm 2023 iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN .ii MỤC LỤC iii BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .vi BẢNG DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU x BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT xii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU xvii MỞ ĐẦU Lu CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN DẪN KHÓA LƯỢNG TỬ QUA ận Luận án tiến sĩ KHÔNG GIAN TỰ DO vă 1.1 Giới thiệu chung bảo mật thông tin mã hóa liệu n 1.2 Hệ thống phân phối khóa lượng tử QKD 12 th 1.2.1 Sự cần thiết hệ thống phân phối khóa lượng tử QKD .12 ạc 1.2.2 Các kiểu cơng xảy hệ thống QKD 14 sĩ 1.2.3 Phân loại hệ thống QKD 15 Ki 1.2.3.1 QKD biến rời rạc DV-QKD 15 nh 1.2.3.2 QKD biến liên tục CV-QKD .16 1.2.4 Giao thức BB84 17 tế 1.3.Truyền thông quang không gian tự FSO 21 1.4 Truyền thông quang không gian tự sử dụng vệ tinh 24 1.5 Hệ thống phân phối khóa lượng tử biến liên tục sử dụng vệ tinh 25 1.6 Các tham số đánh giá hiệu hệ thống QKD-FSO 27 1.7 Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu truyền dẫn quang qua không gian tự hệ thống phân phối khóa lượng tử biến liên tục 29 1.7.1 Nguồn quang 29 1.7.2 Các tách quang 30 1.7.3 Các giao thức QKD 30 1.7.4 Các kỹ thuật cấu trúc QKD 31 iv 1.7.5 Kênh truyền FSO 31 1.7.6 Phân hệ xử lý tín hiệu số 31 1.8 Các cơng trình nghiên cứu liên quan đến đề tài luận án 32 1.8.1 Các cơng trình nghiên cứu nước .32 1.8.2 Các cơng trình nghiên cứu giới 33 1.9 Nhận xét công trình nghiên cứu tác giả khác hướng nghiên cứu luận án 37 1.9.1 Nhận xét cơng trình nghiên cứu tác giả khác 37 1.9.2 Hướng nghiên cứu luận án 39 Kết luận Chương 42 ận Lu CHƯƠNG HỆ THỐNG QKD-FSO BIẾN LIÊN TỤC DỰA TRÊN ĐIỀU CHẾ Luận án tiến sĩ PHA 43 vă 2.1 Mơ hình kênh truyền FSO 43 n 2.1.1 Suy hao không gian tự .44 th 2.1.2 Suy hao khí .44 ạc 2.1.3 Suy hao trải rộng chùm tia lệch hướng 47 2.1.4 Ảnh hưởng pha-đinh nhiễu loạn khí 49 sĩ Ki 2.2 Hệ thống QKD-FSO biến liên tục dựa điều chế pha 51 nh 2.2.1 Mã hóa bit lượng tử sử dụng điều chế pha cầu phương QPSK 51 2.2.2 Mơ hình hệ thống đề xuất 55 tế 2.2.3 Phân tích hiệu hệ thống 56 2.2.4 Kết khảo sát hiệu hệ thống 60 Kết luận Chương 63 CHƯƠNG CẢI THIỆN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG QKD-FSO SỬ DỤNG KỸ THUẬT TRUYỀN LẠI KHÓA VÀ CHUYỂN TIẾP 65 3.1 Đặt vấn đề 65 3.2 Hệ thống phân phối khóa lượng tử biến liên tục dựa vệ tinh sử dụng kỹ thuật truyền lại khóa kiểu ARQ 66 3.2.1 Mơ hình hệ thống đề xuất 66 3.2.2 Giao thức CV-QKD sử dụng 68 v 3.2.3 Kỹ thuật ARQ 68 3.2.4 Phân tích hiệu hệ thống 69 3.2.4.1 Phân tích hiệu lớp vật lý 69 3.2.4.2 Phân tích hiệu lớp liên kết 71 3.2.5 Kết khảo sát hiệu hệ thống 75 3.2.6 Khả an ninh hệ thống đề xuất 83 3.3 Hệ thống QKD-FSO sử dụng kỹ thuật truyền lại khóa chuyển tiếp 85 3.3.1 Mơ hình hệ thống đề xuất 86 3.3.2 Kỹ thuật truyền lại khóa 88 3.3.3 Phân tích hiệu hệ thống 89 Lu 3.3.4 Kết khảo sát hiệu hệ thống 95 Luận án tiến sĩ ận Kết luận Chương 101 vă CHƯƠNG HỆ THỐNG QKD-FSO ĐA KÊNH ĐA NGƯỜI SỬ DỤNG 103 n 4.1 Mở đầu 103 ạc th 4.2 Hệ thống QKD-FSO sử dụng kỹ thuật ghép kênh sóng mang phụ SCM ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM 104 4.2.1 Mơ hình hệ thống đề xuất .105 sĩ 4.2.2 Giao thức CV-QKD sử dụng 106 Ki nh 4.2.3 Phân tích hiệu hệ thống 108 4.2.4 Kết khảo sát hiệu hệ thống 109 tế 4.3 Hệ thống CV-QKD đa người sử dụng với kỹ thuật CDMA quang 114 4.3.1 Mơ hình hệ thống đề xuất .114 4.3.3 Mơ hình kênh truyền 117 4.3.4 Phân tích hiệu hệ thống 118 4.3.5 Kết khảo sát hiệu hệ thống 120 Kết luận Chương 127 KẾT LUẬN 129 CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 132 TÀI LIỆU THAM KHẢO 134 vi BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1 Mã hóa bất đối xứng Hình Mã hóa đối xứng 10 Hình Mơ hình hệ thống mã hóa đối xứng 11 Hình Mơ hình ứng dụng hệ thống QKD 14 Hình Mã hóa bit giao thức BB84:(a)Sự phân cực photon, (b) Sự phân cực thẳng, (c) Sự phân cực xiên 18 Hình Sơ đồ khối hệ thống FSO 23 Lu Hình Kịch truyền tín hiệu từ Alice đến Bob với có mặt Eve 25 vă Luận án tiến sĩ ận Hình Cấu trúc hệ thống QKD-FSO theo phân hệ 29 n Hình Chùm tia mặt đất vị trí máy thu Bob Eve 48 th Hình 2 (a) Các pha dùng giao thức BB84 truyền thống (b) Các ạc pha dùng giao thức QKD sử dụng phương thức truyền dẫn khóa đề sĩ xuất (c) Biểu đồ chịm dùng phương thức truyền dẫn khóa đề Ki xuất 53 nh Hình Sơ đồ khối hệ thống QKD-FSO dựa vệ tinh sử dụng giao thức tế CV- QKD có kiểu điều chế QPSK phía phát kết hợp phía thu sử dụng tách sóng kiểu heterodyne tách ngưỡng kép 55 Hình Hàm phân bố mật độ xác suất tín hiệu Bob nhận với d1 hai giá trị ngưỡng tách ngưỡng kép 59 Hình QBER Psift phụ thuộc vào giá trị hệ số tỷ lệ ngưỡng kép  PLO= dBm 62 Hình Giá trị QBER Psift phía thu Bob phụ thuộc vào cơng suất phía phát = 1,5 63 vii Hình Sơ đồ khối hệ thống CV-QKD dựa vệ tinh sử dụng kỹ thuật truyền lại khóa kiểu ARQ 66 Hình Mơ hình chuyển đổi trạng thái kênh lượng tử 71 Hình 3 Sự chuyển đổi trạng thái QA-DTMC 73 Hình QBER Psift máy thu phụ thuộc vào hệ số tỷ lệ ngưỡng kép điều kiện nhiễu loạn khí (a) yếu (b) mạnh với PT=25 dBm PLO= 0dBm 77 Hình QBER Psift phụ thuộc vào công suất đỉnh bên phát PT điều kiện nhiễu loạn khí yếu ba trường hợp: QPSK-DT/HD (=0,7 Lu PLO=0 dBm), QPSK-DT/DD (=0,7) SIM/BPSK-DT (=0,9) 78 ận vă Luận án tiến sĩ Hình Hệ số QBER phụ thuộc hệ số suy giảm thời tiết khác (𝛾) điều kiện nhiễu loạn khí mạnh với PLO= dBm, GT=130 dB n GR= 131 dB 79 th ạc Hình QBER Psift Eve phụ thuộc vào khoảng cách DE_B Eve Bob điều kiện nhiễu loạn khí yếu (=0,7 2,1) nhiễu loạn khí sĩ Ki mạnh (=1,4 2,4) với PT=25 dBm, PLO= dBm 80 nh Hình Tỷ lệ khóa KLR máy thu phụ thuộc vào cơng suất đỉnh phía tế phát PT điều kiện nhiễu loạn khí yếu, PLO= dBm hệ số tỷ lệ ngưỡng kép =0,7 81 Hình Tỷ lệ khóa KLR máy thu phụ thuộc vào cơng suất đỉnh phía phát PT điều kiện nhiễu loạn khí mạnh, PLO= dBm hệ số tỷ lệ ngưỡng kép =1,4 82 Hình 10 Hệ thống QKD-FSO có vệ tinh sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp dựa hạ tầng cao HAP kỹ thuật truyền lại khóa theo phương pháp ARQ 86 viii Hình 11 Sơ đồ khối hệ thống QKD-FSO dựa vệ tinh sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp dựa HAP kỹ thuật phát lại khóa ARQ 87 Hình 12 Tỷ lệ khóa KLR theo tốc độ chuỗi bit đến H với điều kiện nhiễu loạn khí yếu (a) mạnh (b), kích thước nhớ đệm C= 10 chuỗi bit 98 Hình 13 Tỷ lệ trễ vượt ngưỡng theo tốc độ chuỗi bit đến với điều kiện nhiễu loạn khí yếu (a) mạnh (b), kích thước nhớ đệm C=10 chuỗi bit.99 Hình 14 Tỷ lệ trễ vượt ngưỡng với kích thước nhớ đệm điều kiện nhiễu loạn khí yếu (a) mạnh (b), tốc độ chuỗi bit đến H= 60 Lu ận vă Luận án tiến sĩ chuỗi/giây 100 Hình Mơ hình hệ thống QKD đa kênh sử dụng SCM-WDM 105 n th Hình QBER Psift theo hệ số tỷ lệ ngưỡng kép với Rb = 1,25 Gbit/s ạc NC = 111 sĩ Hình QBER SKR theo hệ số tỷ lệ ngưỡng kép trường hợp nhiễu Ki loạn khí yếu với NC = 112 nh Hình 4 QBER SKR theo hệ số tỷ lệ ngưỡng kép trường hợp nhiễu tế loạn khí yếu với Rb = 1,25 Gbit/s 113 Hình Mơ hình hệ thống CV-QKD dựa vệ tinh sử dụng kỹ thuật phân chia theo mã 114 Hình Sơ đồ khối của: (a) máy phát, (b) máy thu hệ thống CVQKD dựa vệ tinh sử dụng kỹ thuật phân chia theo mã 115 Hình QBER Psift phía thu Bob phụ thuộc vào giá trị hệ số tỷ lệ ngưỡng kép PT=-2dBm, độ sâu điều chế μ=0,2, số kênh 122 Hình Sự phụ thuộc QBER máy thu Bob theo công suất phát trường hợp số người sử dụng hệ số ngưỡng kép 123