Phân tích hiệu năng hệ thống phân phối khóa lượng tử dựa trên vệ tinh sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG -*** - NGUYỄN THỊ THUỲ TRANG PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHĨA LƯỢNG TỬ DỰA TRÊN VỆ TINH SỬ DỤNG KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ( Theo định hướng ứng dụng) Hà Nội - 2021 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG -*** - NGUYỄN THỊ THUỲ TRANG PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÓA LƯỢNG TỬ DỰA TRÊN VỆ TINH SỬ DỤNG KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 8.52.02.08 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ( Theo định hướng ứng dụng) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS.ĐẶNG THẾ NGỌC Hà Nội - 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Người viết luận văn Nguyễn Thị Thuỳ Trang LỜI CẢM ƠN Luận văn khép lại trình học tập, nghiên cứu học viên Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Học viên xin bày tỏ biết ơn sâu sắc tới Thầy hướng dẫn, PGS.TS.Đặng Thế Ngọc định hướng nghiên cứu tận tình giúp đỡ, trực tiếp bảo suốt trình thực luận văn Đồng thời học viên xin bày tỏ lòng biết ơn Lãnh đạo Học viện, thầy cô Khoa Đào tạo sau đại học, Khoa Viễn thông Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng Trân trọng! Hà Nội, tháng 11 năm 2020 Học viên Nguyễn Thị Thùy Trang MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH ẢNH v DANH MỤC BẢNG BIỂU vi THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vii LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHÂN PHỐI KHOÁ LƯỢNG TỬ 1.1 Vai trò phân phối khoá lượng tử 1.2 Nguyên lý hoạt động giao thức phân phối khoá lượng tử 1.2.1 Các khái niệm vật lý học lượng tử 1.2.2 Nguyên lý hoạt động giao thức phân phối khoá lượng tử 1.2.3 Các giao thức phân phối khóa lượng tử 1.3 Ứng dụng phân phối khoá lượng tử 18 1.4 Thách thức phân phối khoá lượng tử 18 1.4.1 Thiết bị 19 1.4.2 Các giao thức QKD 21 1.4.3 Kỹ thuật cấu trúc QKD 22 1.5 Kết luận chương 23 CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH KÊNH QUANG KHƠNG GIAN TỰ DO 24 2.1 Mở đầu 24 2.1.1 Lịch sử phát triển công nghệ truyền thông quang không dây 25 2.1.2 So sánh hệ thống FSO với hệ thống RF 26 2.1.3 Mơ hình truyền thơng quang khơng dây 28 2.2 Mô hình kênh quang từ vệ tinh tới mặt đất 29 2.2.1 Giới thiệu 29 2.2.2 Hệ thống truyền thông FSO kết nối vệ tinh LEO với trạm mặt đất 30 2.2.3 Mơ hình kênh quang kết nối từ vệ tinh LEO tới HAP 32 2.2.4 Mơ hình kênh quang kết nối từ HAP tới trạm mặt đất 32 2.3 Suy hao đường truyền 33 2.4 Nhiễu loạn khí 36 2.4.1 Mô hình nhiễu loạn Log-chuẩn 37 2.4.2 Mơ hình nhiễu loạn Gamma-gamma 40 2.5 Kết luận chương 43 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG HỆ THỐNG QKD DỰA TRÊN VỆ TINH SỬ DỤNG KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP 45 3.1 Mơ hình hệ thống QKD vệ tinh – mặt đất 45 3.1.1 Giao thức QKD dựa SIM/BPSK DT/DD 46 3.1.2 Mơ hình hệ thống 48 3.2 Kỹ thuật chuyển tiếp cho hệ thống QKD 51 3.2.1 Mơ hình kênh liên kết từ vệ tinh tới HAP 51 3.2.2 Mơ hình kênh liên kết HAP tới trạm mặt đất 52 3.3 Phân tích hiệu hệ thống 54 3.4 Kết phân tích hiệu bàn luận 58 3.5 Kết luận chương 61 KẾT LUẬN 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 v DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Mơ hình phân phối khố .3 Hình 2.1: Hệ thống truyền thơng quang khơng dây 25 Hình 2.2: So sánh độ phân kỳ chùm sóng tín hiệu RF tín hiệu quang với tín hiệu gửi từ Sao Hỏa Trái Đất 27 Hình 2.3: Mơ hình hệ thống truyền thông FSO [17] 29 Hình 2.4: Hệ thống truyền thơng FSO chuyển tiếp quang dựa HAP kết nối vệ tinh LEO trạm mặt đất .30 Hình 2.5: Sơ đồ khối hệ thống truyền thông FSO chuyển tiếp quang dựa HAP kết nối vệ tinh LEO với trạm mặt đất .31 Hình 2.6: Hàm mật độ log-chuẩn với E[I] =1 cho dãy giá trị 𝝈𝒍𝟐 .40 Hình 2.7: Hàm mật độ xác suất Gamma-Gamma cho ba chế độ nhiễu loạn khác nhau: yếu, trung bình mạnh [16] .42 Hình 2.8: S.I theo phương sai log-cường độ với Cn2 = 10-15 m-2/3 𝝀 = 850 nm 43 Hình 2.9: Giá trị 𝜶 𝜷 với chế độ nhiễu loạn khác nhau: yếu, trung bình, mạnh bão hòa 43 Hình 3.1: Mơ hình hệ thống QKD/FSO dựa vệ tinh sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp HAP .46 Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ thống FSO/QKD hỗ trợ chuyển tiếp HAP sử dụng SIM/BPSK thu DT / DD 47 Hình 3.3: Tốc độ khóa bí mật Ergodic (S) so với hệ số tỷ lệ DT (&) khoảng cách Eve từ HAP (r) kịch .60 Hình 3.4: Tốc độ khóa bí mật Ergodic (S) so với hệ số tỷ lệ DT (&) khoảng cách Eve từ Bob (UAV phương tiện) (r) kịch .61 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Các sở thẳng chéo 10 Bảng 1.2: Alice Bob trao đổi sở dùng để phân cực đo lường photon với qua kênh truyền thống xác thực 11 Bảng 1.3: Các trường hợp kết truyền đo lường giao thức B92 16 Bảng 2.1: Bán kính loại tán xạ hạt điển hình 𝝀 = 850 nm [19] 34 Bảng 2.2: Giá trị dải tầm điều kiện thời tiết khác 35 Bảng 3.1: Các tham số hệ thống 58 vii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ Thuật ngữ Tiếng Anh Thuật ngữ Tiếng Việt AES Advanced Encryption Standard Tiêu chuẩn mã hoá nâng cao APD Avalanche Photodiode Điốt thu quang thác ASE Amplified Spontaneous Bộ phát xạ khuếch đại Emission AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân CV Continuous Variable Biến liên tục DD Direct Detection Tách sóng trực tiếp DoF Degrees of Freedom Mức độ tự DPS Differential-Phase-Shift Khóa dịch pha nhị phân DT Double Threshold Hai ngưỡng DV Discrete Variable Biến rời rạc FPGA Field Programmable Gate Arrays Vi mạch dùng cấu trúc mảng phần tử logic lập trình FSL Free-space Loss Suy hao khơng gian tự FSO Free Space Optical Truyền quang không gian tự GG Gamma-Gamma Phân phối Gamma-Gamma HAP High Altitude Platform Hạ tầng cao IM Intensity Modulation Điều chế cường độ LED Light Emitting Diode Điot phát sáng LEO Low Earth Orbit Quỹ đạo trái đất tầm thấp LOS Light Of Sight Đường truyền thẳng MG Mixture-Gamma Phân phối hỗn hợp Gamma NEP Noise Equivalent Power Công suất tạp âm tương đương OOK On-Off Keying Điều chế khóa đóng-mở PAT Pointing Acquisition Tracking Bộ định hướng, bắt bám QBER Quantum Bit Error rate Tỷ lệ lỗi bit lượng tử viii Quantum Communication and Thông tin lượng tử công nghệ Information Technologies truyền thông QKD Quantum Key Distrubution Phân phối khố lượng tử QND Quantum Not Destruction Khơng phá huỷ lượng tử QST Quantum Status Transmission Trạng thái lượng tử RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RSA Rivest–Shamir–Adleman Mã hoá RSA SIM Subcarrier Intensity Modulation Điều chế cường độ sóng mang QICT phụ SW Switch Chuyển mạch TRNG True Random number generator Bộ tạo số ngẫu nhiên thực UAV Unmanned aerial vehicle Phương tiện không người lái URA Unauthorized receiver attack Tấn công máy thu trái phép 51 bit nhị phân “0”, “1” “x” (tức bit tạo) dựa quy tắc định (3.1) 3.2 Kỹ thuật chuyển tiếp cho hệ thống QKD Hệ thống QKD/FSO kết nối vệ tinh LEO tới trạm mặt đất sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp chia thành hai chặng với chặng thứ từ vệ tinh LEO tới HAP chặng từ HAP tới trạm mặt đất Mỗi chặng có mơ hình kênh riêng biệt trình bày sau: 3.2.1 Mơ hình kênh liên kết từ vệ tinh tới HAP Tham số cấu trúc số khúc xạ C n2 , xác định cường độ nhiễu loạn, coi độ cao lớn 30 km Do đó, ảnh hưởng nhiễu loạn khí bỏ qua mơ hình kênh vệ tinh HAP bao gồm hai loại tổn hao suy hao không gian tự suy hao lệch hướng búp sóng Suy hao không gian tự do: Vệ tinh truyền chùm tia laser qua không gian tự đến HAP đặt độ cao 20 km, kết nối chủ yếu bị suy hao khơng gian tự (FSL), biểu thị bằng: FSL = ( 4 Ls  )2 (3.8) LS khoảng cách truyền vệ tinh HAP, tính LS = ( H S − H P ) / cos( S ) , với λ bước sóng hoạt động hệ thống, H S H P độ cao vệ tinh HAP,  S góc góc thiên đỉnh từ HAP tới vệ tinh Suy hao lệch hướng búp sóng: Để đánh giá tác động lệch hướng búp sóng quang búp anten thu hướng khơng chùm tia phát xạ anten phát luận văn xem xét độ thu bán kính trịn a P búp sóng quang mơ hình hóa theo mơ hình phân bố Gauss máy thu Phân bố cường độ tín hiệu phát chuẩn hóa theo khơng gian z từ máy phát chùm Gauss biểu thị sau: I beam (  ; z ) = z2 exp(−  z2 ) (3.9) 52 ρ vectơ bán kính từ tâm búp sóng quang, z độ rộng búp sóng quang khoảng cách z [23] Khoảng cách tương đối tâm máy thu tâm búp sóng thu gây suy hao công suất lệch hướng búp sóng Suy hao lệch hướng búp sóng với sai số định hướng q tính cơng thức (3.10): (𝑃) ℎ𝑝 (𝑞; 𝑧) = ∫𝐴 𝐼𝑏𝑒𝑎𝑚 (𝜌 − 𝑞; 𝑧)𝑑𝜌 (3.10) hp( P ) (.) biểu thị phần công suất thu thu A diện tích thu Phương trình (3.10) ước lượng dạng Gauss sau: (𝑃) ℎ𝑝 (𝑟; 𝑎(𝑃) ) ≈ 𝐴𝑃0 exp(− r = q độ lớn q, v ( P ) = 2( P ) = z2( P ) zeq  erf(v( P ) ) 2v exp(−v 2( P ) ) 2𝑟 2(𝑃) 𝜔𝑧𝑒𝑞 ) (3.11)  a( P) ( P) ( P)   , A = erf ( v )   2 z( P ) (P) A0( P ) công suất thu r =  zeq độ rộng búp tương đương HAP Công thức (3.11) sử dụng để tính tốn cơng suất quang nhận nút chuyển tiếp dựa HAP thu Eve đặt gần HAP Trong kịch nghe trộm này, máy thu HAP nằm tâm chùm, tức r = công suất quang mà Eve nhận tỷ lệ nghịch với r với r > 3.2.2 Mơ hình kênh liên kết HAP tới trạm mặt đất Luận văn giả định UAV phương tiện mặt đất có chung liên kết gọi liên kết HAP tới GS Sự suy hao đường truyền nhiễu loạn khí hai yếu tố ảnh hưởng đến liên kết Trạng thái kênh khí (h) (G ) biểu thị h = hl hP(G ) , hl suy hao đường đi, h p suy hao lệch hướng búp sóng HAP phương tiện mặt đất, nhiễu loạn khí Suy hao đường truyền, hl : Suy hao khí xác định Định luật Beer-Lambert theo hàm mũ biểu thị sau: hl = exp(− Lp ) (3.12) 53 LP , định nghĩa LP = H P / cos( p ) , khoảng cách truyền HAP nút mặt đất, H P độ cao HAP,  P góc thiên đỉnh xác định góc hướng lan truyền từ HAP đến nút mặt đất, σ hệ số suy giảm Suy hao lệch hướng búp sóng, h p( G ) , suy hao gây lệch hướng búp sóng quang búp anten thu hướng không chùm tia phát xạ anten phát từ HAP đến nút mặt đất (tức Bob Eve) biểu thị tương tự theo phương trình (3.13) sau: (𝐺) ℎ𝑝 (𝑟; 𝑎(𝐺) ) ≈ 𝐴𝐺0 exp(− v ( G ) = 2𝑟 2(𝐺) 𝜔𝑧𝑒𝑞 ) (3.13)  a (G ) với a(G ) bán kính độ thu trạm mặt đất, (G ) 2 z A(0G ) = erf( (G ) )  phần công suất thu r = máy thu Bob 2( G ) zeq =z2( G )  erf( (G ) ) 2v exp(−v 2(G ) ) độ rộng tương ứng chùm quang từ HAP đến trạm mặt đất Sự nhiễu loạn khí quyển, : Sự nhiễu loạn khí kết hợp khơng khí ấm khơng khí lạnh lớp Chiết suất khí phụ thuộc vào nhiệt độ mật độ khơng khí thay đổi theo không gian thời gian Hiện tượng dẫn đến tín hiệu tiêu hao dần giảm hiệu suất hệ thống Đối với nhiễu loạn trung bình đến mạnh, phân phối Gamma-Gamma (GG) sử dụng với ℎ𝑎 > (3.14):  +  + ( ) −1 2( ) fha (ha ) = (ha ) K − (2  ) ( )(  ) K −  (.) ( −  ).( )   hàm Bessel sửa đổi (3.14) loại hai bậc t  −1 exp(−t )dt hàm Gamma,   lần luợt số lượng hiệu dụng xốy kích thước lớn xốy kích thước nhỏ q trình tán xạ 54 cho dạng hàm phương sai Rytov  R2 [24] Trong trường hợp liên kết từ HAP đến trạm mặt đất,  R2 đưa theo cơng thức (3.15): 𝐻 𝜎𝑅2 = 2.25𝑘 7⁄6 sec 11⁄6 (𝜁𝑃 ) ∫ℎ 𝑃 𝐶𝑛2 (ℎ)(ℎ − ℎ0 )5⁄6 𝑑ℎ (3.15) k = 2 /  số sóng h0 độ cao node mặt đất [25] Độ lớn nhiễu loạn xác định tham số cấu trúc chiết suất C n2 Nó thay đổi theo vị trí địa lý, độ cao thời gian ngày C n2 mơ hình hóa mơ hình Hufnagel-Valley (H-V) để ước tính cấu hình nhiễu loạn [90]: 𝜔 −5 𝐶𝑛2 (ℎ) = 0.00594(27 (10 exp(− ℎ 1000 ) + 2.7 × 10−16 exp(− +𝐶𝑛2 (0)exp(− ℎ 100 ) ℎ 1500 ) (3.16) w vận tốc gió bình phương gốc, h độ cao so với mặt đất, Cn2 (0) − 1.7 10−14 m−2/3 giá trị C n2 mặt đất 3.3 Phân tích hiệu hệ thống Luận văn rút tốc độ khóa bí mật ergodic (S) hệ thống đề xuất trường hợp cơng trái phép máy thu Tốc độ khóa bí mật định nghĩa tốc độ truyền dẫn tối đa mà Eve giải mã thông tin Thông tin chung I (A; B) I (A; E) lượng thông tin chia sẻ Alice Bob, thông tin chia sẻ Alice Eve Chúng mơ tả công thức (3.17), (3.18): 𝐼(𝐴; 𝐵) = 𝐻(𝐵) − 𝐻(𝐵|𝐴) (3.17) 𝐼(𝐴; 𝐸) = 𝐻(𝐸) − 𝐻(𝐸|𝐴) (3.18) H ( B) H ( E) tương ứng biểu thị cho entropy thông tin Bob Eve H (B | A) H ( E | A) đại diện cho entropy có điều kiện BobAlice Eve-Alice Tốc độ khóa bí mật ergodic tính cách tính đến thơng tin tương hỗ I ( A; B) I ( A; E) theo (3.19): 𝑆 = 𝐼(𝐴; 𝐵) − 𝐼(𝐴; 𝐸) (3.19) 55 S dương, thông tin mà Eve thu thập bị giảm Nếu không, bảo mật hệ thống đề xuất phần 3.2 bị đe dọa Eve Do S coi tốc độ truyền tối đa mà bên nghe trộm giải mã thông tin Việc truyền thơng tin Alice Bob mơ hình hóa kênh xóa nhị phân (BEC) có lỗi [22], đó, thơng tin Alice Bob I ( A; B) xác định theo (3.20): I ( A; B) = p log ( p) + (1 − p − q) log (1 − p − q) −( p + (1 −  )(1 − p − q )) log ( p + (1 −  )(1 − p − q )) (3.20) −( (1 − p − q) + (1 −  ) p) log ( (1 − p − q) + (1 −  ) p) đây, p q xác suất phát (ví dụ: PA, B (1,1) ) sai (ví dụ: PA, B (1,0) ), tương ứng biểu thị chung theo (3.21), (3.23): ∞ 𝑖 −𝑑0 𝑃𝐴,𝐵 (𝑎, 0) − ∫ 𝑄( 𝑎 ∞ 𝑃𝐴,𝐵 (𝑎, 1) − ∫ 𝑄( a {0,1}, Q(.) 2   0 𝜎𝑁 𝑑1 −𝑖𝑎 𝜎𝑁 )𝑓ℎ𝑎 ( ℎ𝑎 )𝑑ℎ𝑎 (3.21) )𝑓ℎ𝑎 ( ℎ𝑎 )𝑑ℎ𝑎 (3.22) exp(−t / 2)dt đại diện cho hàm Gauss Q, ia biểu thị tín hiệu nhận cho bit “a” mô tả theo (3.23): i0 = − MPr(G ) i1 = −i0 Pr(G ) = (3.23) (S ) ( P) ( P) ( P) ( P) PGTX hp GRX GAGTX GRX hl công suất đỉnh thu Bob FSL Hai ngưỡng phát d0 d1 xác định cách sử dụng lựa chọn DT sau: d0 = E (i0 ) −   N2 d1 = E (i1 ) −   N2 (3.24)  hệ số tỉ lệ hai ngưỡng,  N2 phương sai nhiễu E(ia ) giá trị trung bình ia [22] Ta coi E  hl  = E  hl  = hl với E   = 56 Bằng   cách sử dụng phương pháp vng góc Gauss-Laguerre M g ( y )exp(− y )dy   vi g ( l ) [26] biểu thức dạng gần cho xác suất i =q chung (3.21) (3.22) tính tương ứng theo (3.25), (3.26): 𝑃𝐴,𝐵 (𝑎, 0) ≈ (𝐺) ∓ ℜ𝑀𝑃𝑟 𝛿𝜏𝑙 −𝑑0 4×𝜁𝑖 −𝑏𝑖 𝑏𝑖 −1 ∑𝑖=1 ∑𝑀 𝑎 𝜁 𝑣 𝜏 𝑄 ( ) 𝑙 𝑙 𝑙=1 𝑖 𝑖 𝜎𝑁−𝑖,𝑙 𝑁 𝑃𝐴,𝐵 (𝑎, 1) ≈ (𝐺) 𝑑1 ± ℜ𝑀𝑃𝑟 4×𝜁𝑖 −𝑏 𝑏 −1 ∑𝑖=1 ∑𝑀 𝑎𝑖 𝜁𝑖 𝑖 𝑣𝑙 𝜏𝑙 𝑖 𝑄 ( 𝑙=1 𝜎𝑁−𝑖,𝑙 𝑁 𝛿𝜏𝑙 (3.25) ) (3.26) phương sai nhiễu  N −i ,l biểu thị phương trình (3.27) 𝜎𝑁−𝑖,𝑙 = 1 (𝑃) (𝑃) (𝐺) (𝑃) (𝐺) (𝑃) ℜ𝑀𝑃𝑟 𝛿𝜏𝜄 + 𝜉 𝑃𝑏 𝑃𝑅𝑋 𝐺𝐴 𝐺𝑇𝑋 𝐻𝑝 𝐺𝑅𝑋 ℎ𝑙 𝜏𝜄 4×𝜉𝑖 𝑖 √2𝑞𝐹𝐴 𝑀 ℜ ( ) (𝑃) (𝑃) (𝐺) (𝐺) (𝐺) (𝐺) + 𝜉 𝑃𝐴 𝐺𝑅𝑋 𝐺𝐴 𝐺𝑇𝑋 ℎ𝑝 𝐺𝑅𝑋 ℎ𝑙 𝜏𝜄 + 𝑃𝑏 𝑃𝑅𝑋 𝑖 △𝑓+ 4𝑘𝐵 𝑇𝐹𝑛 𝑅𝑙 △ 𝑓 (3.27) Trong biểu thức dạng gần này, , bi  i tham số phân phối hỗn hợp-Gamma (MG) ước tính phân phối GG N số thành phần hỗn hợp vl  l hệ số trọng số áp suất đa thức Laguerre với M số lần lặp để tích phân Laguerre gần mặt số học Phép tính gần cho kết xác N = M = 10 Giả sử Eve sử dụng ngưỡng phát d E = để tối đa hóa thơng tin thơng tin tương hỗ I ( A; E) biểu thị (3.28): I ( A; E) = + e log (e) + (1 − e)log (1 − e) (3.28) e biểu thị xác suất lỗi Eve xác định theo (3.29): e = PA, E (0,1) + PA, E (1,0) (3.29) PA, E (0,1) PA, E (1,0) xác suất bit truyền Alice mà bị Eve phát sai sử dụng phát ngưỡng tối ưu d E = Để có I ( A; E) , luận văn xem xét hai tình điển hình vị trí Eve, mơ tả hình 3.1: Eve HAP trái phép Eve phương tiện mặt đất Cả hai kịch thuộc loại công máy thu trái phép (URA) 57 Kịch 1: Trong trường hợp này, tín hiệu nhận HAP trái phép khơng bị ảnh hưởng nhiễu loạn khí Kết PA, E (0,1) PA, E (1,0) tính (3.30) (3.31):: 𝑃𝐴,𝐸 (0,1) = 𝑄 ( (𝐸) (𝐸) 𝜎𝑁 𝑑𝐸 + 𝑃𝑟 𝛿 (𝐸) 𝑃𝑟 𝛿−𝑑𝐸 (𝐸) 𝜎𝑁 𝑃𝐴,𝐸 (1,0) = 𝑄 (4 Pr( E ) = (E) Eve,  = ) (3.30) ) (3.31) (S ) ( P) (E) ( E ) M ( E ) PGTX hp (r ; a ( P ) )GRX công suất thu cực đại FSL  (E )q mức độ phản hồi APD Eve với  ( E ) hiệu suất lượng tử hv (E) M ( E ) độ lợi trung bình APD Eve GRX độ lợi thấu kính Eve  N2( E ) phương sai nhiễu định nghĩa theo (3.32): 2(𝐸) 𝜎𝑁 (𝐸) (𝐸) (𝐸) = 2𝑞ℜ(𝐸) 𝑀2(𝐸) 𝐹𝐴 ( 𝑃𝑟 𝛿 + 𝑃𝑟 𝐺𝑅𝑋 ) △ 𝑓 + 4𝑘𝐵 𝑇𝐹𝑛 𝑅𝐿 △𝑓 (3.32) Kịch 2: Trong trường hợp này, Eve nằm gần Bob, PA, E (0,1) PA, E (1,0) biểu thị (3.33), (3.34): ∞ 𝑃𝐴,𝐸 (0,1) = ∫ 𝑄 ( (𝐸) (𝐸) 𝜎𝑁 ) 𝑓ℎ𝑎 (ℎ𝑎 )𝑑ℎ𝑎 (3.33) (𝐸) 𝑃 𝛿ℎ𝑎 −𝑑𝐸 𝑟 (𝐸) 𝜎𝑁 ) 𝑓ℎ𝑎 (ℎ𝑎 )𝑑ℎ𝑎 (3.34) 𝑑𝐸 + 𝑃𝑟 𝛿ℎ𝑎 ∞ 𝑃𝐴,𝐸 (1,0) = ∫ 𝑄 ( (𝐸) 𝑃𝑟 xác định sau: Pr( E ) = (S ) ( P) ( P) ( P ) (G ) (E) PGTX hp GRX GAGTX hp (r ; a ( E ) )GRX hl FSL  N( E ) trường hợp xác định theo (3.36): (3.35) 58  2( E ) N = 2q M (E) (E)  (G )  (P) ( P ) (G ) (E) Pr  + Pb( P )GRX GAGTX hp (r ; a ( E ) )GRX hl  4k BTFn  FA  f + f  R ( P ) ( P ) ( P ) ( G ) ( E ) ( E ) L  + P G + P G h (r ; a )G h h  RX a TX p RX l a  b  (3.36) 3.4 Kết phân tích hiệu bàn luận Trong phần này, luận văn phân tích hiệu hệ thống đề xuất qua tham số tốc độ khóa bí mật sai bị cơng người nhận trái phép Luận văn sử dụng thông số hệ thống Bảng 3.1 Để xác nhận thiết kế, tốc độ khóa bí mật khảo sát hai kịch cơng phân tích: (1) Eve cơng búp sóng Alice (vệ tinh) HAP chuyển tiếp, (2) Eve công vào búp sóng HAP Bob (UAV phương tiện) Bảng 3.1: Các tham số hệ thống Tham số Kênh FSO [27], [28] Tốc độ gió Phương sai nhiễu Vệ tinh -> HAP Ký hiệu Giá trị  21 m/s  b2( P ) 4.435 10−28 A2 / Hz Vệ tinh -> trạm mặt đất  b2( SG ) 7.7 10−27 A2 / Hz HAP -> trạm mặt đất  b2( G ) 1.445 10−25 A2 / Hz Hệ số suy hao Băng tần quang  B0 0.4km−1 Vệ tinh LEO (Alice) [29] Bước sóng Độ cao vệ tinh LEO Góc thiên đỉnh  HS  (S ) 125 GHz 1550 nm 610 km 50o Độ lợi thấu kính phát S GTX 132 dB Tốc độ bit Nút chuyển tiếp (HAP) Bước sóng Độ cao HAP B Gbps 1550 nm 20 km Góc thiên đỉnh  HP  (P) Bán kính độ phát hiệu a( P) 0.05 m 50o 59 Tham số ASE nsp Độ lợi thấu kính phát (P) GTX 60 dB Độ lợi thấu kính thu (P) GRX 100 dB B Gbps a(G ) 0.31 m 121 dB Tốc độ bit Bob (Phương tiện UAV) Bán kính độ phát Độ lợi thấu kính thu Hiệu suất lượng tử Tỉ lệ hệ số i-on hoá (G ) GRX  kA Hệ số nhiễu khuếch đại Fn Hệ số nhân thác Điện trở M RL 10 1000 Ω Nhiệt độ Eve (HAP phương tiện) Hiệu suất lượng tử T 300 K  (E) 0.62 M (E) 10 204 dB Hệ số nhân thác Độ lợi thấu kính thu (Tình 1) Độ lợi thấu kính thu (Tình 2) (E) RX G (E) GRX 0.62 0.7 121 dB Hình 3.3 3.4 cho thấy tốc độ khóa bí mật (S) so với khoảng cách Eve HAP ( (Kịch 1) Eve Bob (Kịch 2) hệ số tỉ lệ DT điều chỉnh Bob Hệ số tỉ lệ DT xác định mức ngưỡng phương trình (3.24), giúp Bob ẩn tính ngẫu nhiên bit phát Bob Ở đây, luận văn sử dụng P = 30dBm , z( P ) = 1475m ,  z( G ) = 50m , độ sâu IM δ = 0.4 Rõ ràng, tốc độ khóa bí mật tăng lên Eve xa HAP Bob Điều công suất quang thu Eve giảm, thơng tin Alice Eve bị giảm 60 Hình 3.3: Tốc độ khóa bí mật Ergodic (S) so với hệ số tỷ lệ DT (&) khoảng cách Eve từ HAP (r) kịch Ngoài ra, với việc Bob điều chỉnh hệ số tỉ lệ DT Bob nâng cao tính bảo mật với Alice Ví dụ: Eve cách HAP gần 200m, Bob đạt tốc độ khóa bí mật 0,1 bit/giây/Hz Bob đặt hệ số tỉ lệ δ = 0.5 Điều quan trọng cần lưu ý là, với tốc độ khóa này, hệ thống đề xuất sử dụng hệ thống FSO tiêu chuẩn với tốc độ bit Gb/s đảm bảo tốc độ tạo khóa đáng kể Xét khoảng cách xa với Eve, việc Eve cơng đến vị trí Bob khó so với HAP, tức Eve phải đến gần nhiều để có số thông tin chung với Alice Cuối cùng, sử dụng kết này, luận văn xác định khoảng cách tối thiểu Eve HAP Bob mà đảm bảo hệ thống QKD đề xuất bảo mật (tức S > 0) Ví dụ: Bob đặt hệ số tỷ lệ DT = 1, Bob ln đảm bảo kênh an toàn với Alice Eve cách HAP 400m cách Bob 40 m 61 Hình 3.4: Tốc độ khóa bí mật Ergodic (S) so với hệ số tỷ lệ DT (&) khoảng cách Eve từ Bob (UAV phương tiện) (r) kịch 3.5 Kết luận chương Chương luận văn đưa mơ hình hệ thống QKD/FSO dựa vệ tinh sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp HAP Chương phân tích thành phần hệ thống nguyên lý hoạt động hệ thống Mục đích chương phân tích tốc độ khóa bí mật ergodic hệ thống đề xuất tác động điều kiện khí quyển, bao gồm hấp thụ, tán xạ nhiễu loạn khí xuất kênh khí hai tình huống: bên nghe trộm gần nút chuyển tiếp bên nghe trộm gần Bob Sử dụng kết phân tích được, cuối xác định khoảng cách tối thiểu Eve HAP Bob để đảm bảo hệ thống QKD bảo mật 62 KẾT LUẬN Nội dung luận văn đạt mục tiêu đề phân tích hiệu hệ thống phân phối khoá lượng tử dựa vệ tinh sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp Các kiến thức tảng kết nghiên cứu trình bày luận văn với bố cục ba chương sau: (1) Tổng quan phân phối khoá lượng tử; (2) Mơ hình kênh quang khơng gian tự do; (3) Phân tích hiệu hệ thống QKD dựa vệ tinh sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp Luận văn trình bày cách tổng quan giao thức phân phối khoá lượng tử, ưu điểm thách thức an tồn thơng tin Trình bày mơ hình truyền thơng tin qua khơng gian tự (FSO), nguyên nhân làm suy giảm hiệu hệ thống Phân tích, đánh giá hiệu hệ thống phân phối khoá lượng tử dựa vệ tinh sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp tình giả lập khác Luận văn tìm hiểu, tham khảo phân tích kết tính tốn tốc độ khố bí mật hai trường hợp giả lập Các kết cho thấy số liệu khả quan việc cải thiện hiệu hệ thống có suy hao khác suy hao đường truyền, nhiễu nhiễu loạn khí điều kiện công khác nhau: (1) bên nghe trộm gần nút chuyển tiếp; (2) bên nghe trộm gần Bob, xác định phương pháp điều chế thích hợp cho hệ thống Phía phát sử dụng khóa dịch pha nhị phân điều chế cường độ sóng mang phụ (SIM) (BPSK) sử dụng máy thu tách sóng trực tiếp/hai ngưỡng (DT/DD), HAP chuyển tiếp trang bị nút chuyển tiếp khuếch đại quang chuyển tiếp (OAF) Từ tốc độ khố bí mật phân tích, kết cuối xác định khoảng cách tối thiểu Eve HAP Bob để đảm bảo hệ thống QKD bảo mật – mục tiêu bảo mật thông tin hứa hẹn tương lai 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A I Nurhadi and N R Syambas, “Quantum Key Distribution (QKD) Protocols: A Survey,” Proc of the 4th International Conference on Wireless and Telematics (ICWT), Nusa Dua, 2018, pp 1–5 [2] C H Bennett and G Brassard, “Quantum Cryptography: Public Key Distribution and Coin Tossing,” Proc of the IEEE International Conference on Computers, Systems,and Signal Processing, Bangalore, India, 1984, pp 175–179 [3] H P Yuen, “ Security of Quantum Key Distribution”, IEEE Access, vol 4, pp 724–749, 2016 [4] P V Trinh and A T Pham, “Design and Secrecy Performance of Novel Twoway Free-space QKD Protocol using Standard FSO Systems,” IEEE International Conference on Communications (ICC), Paris, France, 2017,pp 1–6 [5] P V Trinh, T V Pham, N T Dang, H V Nguyen, S X.Ng and A T Pham, “Design and Security Analysis of Quantum Key Distribution Protocol Over FreeSpace Optics Using Dual-Threshold Direct-Detection Receiver,” IEEE Access, vol 6, pp 4159–4175, 2018 [6] S Nauerth, F Moll, M Rau, C Fuchs, J Horwath, S.Frick, and H Weinfurter, “Air-to-Ground Quantum Communication,” Nature Photonics, vol 7, pp 382– 386,2013 [7] R Bedington, J M Arrazola, and A Ling, “Progress in Satellite Quantum Key Distribution,” npj Quantum Information, vol 3, no 30, pp 1–13, 2017 [8] M A Khalighi and M Uysal, “Survey on Free Space Optical Communication: A Communication Theory Perspective,” IEEE communications Surveys & Tutorials, vol 16, no 4, pp 2231–2258, June 2014 [9] M Gabbi and S Arnon, “Quantum key distribution by free space MIMO system,” IEEE/OSA J Lightw Technol., vol.24, no 8, pp 3114–3140, Aug 2006 [10] M Safari and M Uysal, “Relay-Assisted Quantum-Key Distribution Over Long Atmospheric Channels,” IEEE/OSA J Lightw Technol., vol 27, no 20, pp 4508–4515, Oct.15, 2009 64 [11] Jacob Birkmann.”Towards Compact High-Altitude-Platform Based Quantum Key Distribution” 2019 [12] NIST, “Announcing the advanced encryption standard." Federal Information Processing Standards Publication, 197, 2001 [13] J Katz and Y Lindell, Introduction to modern cryptography CRC press, 2014 [14] G S Vernam, “Secret signaling system." US PATENT US 1310719A, 1919 [15] D Gottesman, H.-K Lo, N Lutkenhaus, and J Preskill, “Security of quantum key distribution with imperfect devices," in International Symposium on Information Theory, 2004 ISIT 2004 Proceedings., p 136, IEEE, 2004 [16] A Malik and P Singh, “Free Space Optics: Current Applications and Future Challenges,” International Journal of Optics, vol 2015, Article ID 945483, pages, 2015 [17] H Kaushal, V.K Jain, S Kar, Free Space Optical Communication, Springer, India, 2017 [18] Willebrand H and Ghuman B.S., Free Space Optics: Enabling optical connectivity in today’s network, Indianapolis, IN, SAMS publishing, 2002 [19] Ghassemlooy Z and Popoola W O., Terrestrial Free-Space Optical Communications, Mobile and Wireless Communications Network Layer and Circuit Level Design, Salma Ait Fares and Fumiyuki Adachi (Ed.), ISBN: 978-953-307042-1, 2010 [20] Al-Habash M A., Andrews L C., and Phillips R L., “Mathematical model for the irradiance probability density function of a laser beam propagating through turbulent media,” Optical Engineering, vol 40, no 8, pp 1554– 1562, Aug 2001 [21] F Fidler et al., “Optical Communications for High-Altitude Platforms,” IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol 16, no 5, pp 1058–1070, Sept.-Oct 2010 65 [22] P V Trinh et: al, “Design and Security Analysis of Quantum Key Distribution Protocol over Free-Space Optics Using Dual-Threshold Direct-Detection Receiver” IEEE Access, vol 6, pp 4159-4175, 2018 [23] B.E.A Saleh and M.C Teich, Fundamentals of Photonics NewYork:Wiley, 1991 [24] Z Ghassemlooy et al., “Free-Space Optical Communication Using Subearrier Modulation in Gamma-Gamma Atmospheric Turbulence,” 2007 9th ICTON, Rome, 2007, pp 156–160 [25] Jing Ma, et al., “Performance analysis of satellite-to-ground downlink coherent optical communications with spatial diversity over GammaGamma atmospheric turbulence,” Appl Opt., vol 54, iss 25, pp.7575–7585, Sept 2015 [26] M Abramowitz, I A Stegun, Handbook of mathematical functions, with formulas, graphs, and mathematical tables, 9th edition New York, NY, USA: Dover, 1972 [27] S R Abdollahi et al “An Optical Hard-Limiter for All-Optical Signal Processing,” 2017 UKSim-AMSS 19th Inter Conference on Modelling & Simulation [28] F Fidler, Optical Communications from High Altitude Platforms (Dissertation), Inst Commun Radio-Frequency Eng., Vienna Univ Technol., Austria, Sept 2007 [Online] [29] F Fidler, “Optical Backhaul Links between HAPs and Satellites in the MultiGigabit Regime,” 2008 IEEE Globecom Workshops, New Orleans, LO, 2008, pp 1–5 ... VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG -*** - NGUYỄN THỊ THUỲ TRANG PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHĨA LƯỢNG TỬ DỰA TRÊN VỆ TINH SỬ DỤNG KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn... nghiên cứu ? ?Phân tích hiệu hệ thống phân phối khóa lượng tử dựa vệ tinh sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp? ?? làm đề tài cho luận văn tốt nghiệp thạc sỹ Mục tiêu mà luận văn hướng tới phân tích hiệu qua... giải khái niệm phân phối khóa lượng tử (QKD) 1.2 Nguyên lý hoạt động giao thức phân phối khố lượng tử Phân phối khóa lượng tử sử dụng tính chất học lượng tử, dùng để phân phối khóa hệ mật mã đối