Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Phân tích hiệu năng hệ thống phân phối khóa lượng tử dựa trên vệ tinh sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp

Mục tiêu chính mà luận văn hướng tới là phân tích hiệu năng qua các tham số hiệu năng của mô hình QKD/FSO dựa trên vệ tinh khi sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp tại hạ tầng trên cao (HAP). Mời các bạn tham khảo chi tiết nội dung luận văn này.

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 Chun ngành: Kỹ thuật viễn thơng Mã số: 8.52.02.08 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ( Theo định hướng ứng dụng) Hà Nội - 2021 Luận văn hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đặng Thế Ngọc Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Nam Hoàng Phản biện 2: TS Nguyễn Ngọc Minh Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc: 9h30 ngày 09 tháng 01 năm 2021 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng MỞ ĐẦU Việc bảo mật thông tin ngày quan tâm, đặc biệt thông tin truyền qua sở hạ tầng mạng Internet không bảo mật Phương pháp bảo mật phổ biến sử dụng khóa mật mã hóa bí mật dựa thuật tốn mật mã Trong phương pháp này, bên gửi hợp pháp (Alice) bên nhận hợp pháp (Bob) phải chia sẻ khóa bí mật qua kênh cơng khai khơng an tồn Tuy nhiên, vấn đề nằm việc phân phối khóa nghĩa hai bên gửi nhận phải thông báo cách bảo mật cho khóa bí mật sử dụng để mã hóa thơng tin Để giải vấn đề này, nhiều giao thức phân phối khóa đề xuất Một giao thức phân phối khóa nhận nhiều quan tâm giao thức phân phối khóa lượng tử (QKD), hai bên gửi nhận trao đổi khóa bí mật qua kênh lượng tử, chí có mặt bên nghe trộm thứ ba (Eve) Để phân phối khóa bí mật sử dụng giao thức DV/CV-QKD Alice Bob Trong đó, phương pháp phân phối khóa lượng tử dựa sợi quang nghiên cứu nhiều ứng dụng triển khai, phương pháp sử dụng cho đầu cuối cố định Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng thực tế, bao gồm đời sống hàng ngày hay quân đội, mà đầu cuối sử dụng thiết bị di động, ví dụ mạng xe cộ, địi hỏi giải pháp QKD vơ tuyến Trong bối cảnh đó, FSO, hệ thống dễ thực thi có chi phí hợp lý, sử dụng để truyền khóa lượng tử tới trạm di động Cũng hệ thống FSO khác, hệ thống QKD dựa FSO chịu nhiều ảnh hưởng mơi trường khí hấp thụ, tán xạ, làm hạn chế khoảng cách truyền dẫn Do vậy, sử dụng trạm chuyển tiếp giải pháp đề xuất để mở rộng khoảng cách hoạt động hệ thống Nhận thấy tính thiết thực đề tài, học viên xin chọn hướng 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 tham số hiệu mô hình QKD/FSO dựa vệ tinh sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp HAP Tham số hiệu mà luận văn hướng tới tốc độ khố bí mật Bố cục luận văn gồm chương chính: Chương 1: Tổng quan phân phối khoá lượng tử Chương 2: Mơ hình kênh quang khơng gian tự Chương 3: Phân tích hiệu hệ thống QKD dựa vệ tinh sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp Trong phần Kết luận, luận văn tóm tắt kết nghiên cứu luận văn với bàn luận xung quanh đóng góp ưu điểm hạn chế từ đưa gợi mở cần tiếp tục nghiên cứu 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHÂN PHỐI KHỐ LƯỢNG TỬ 1.1 Vai trị phân phối khố lượng tử Hiện có nhiều thuật tốn mã hố đại chuẩn mã hóa tiên tiến (AES) khó bị phá vỡ khơng có khóa, hệ thống có nhược điểm khóa phải biết hai phía Như thuật tốn mã hố, tốn truyền thơng kín quy tốn phân phối khóa cách an toàn – tin mã hố an tồn gửi theo kênh cơng khai Giải pháp cho tốn sử dụng đối tượng mang an toàn để vận chuyển khóa từ nơi gửi đến nơi nhận Mật mã lượng tử hay phân phối khóa lượng tử xác hơn, mang lại phương pháp tự động phân phối khóa bí mật sợi quang truyền thơng không gian tự Đặc trưng phân phối khóa lượng tử an tồn: Giả sử định luật thuyết lượng tử đúng, chứng minh khóa khơng thể bị bên cơng thu mà khơng có phát người gửi người nhận Hơn nữa, phân phối khóa lượng tử cho phép khóa thay đổi thường xuyên, làm giảm nguy trộm khóa “giải mã”, bên nghe trộm phân tích kiểu tin nhắn mã hóa để suy luận khóa bí mật 1.2 Ngun lý hoạt động giao thức phân phối khoá lượng tử 1.2.1 Các khái niệm vật lý học lượng tử a Cơ sở vật lý hình thành mật mã lượng tử Những nguyên lý vật lý lượng tử sử dụng thông tin mật mã lượng tử là: Nguyên lý bất định Heisenberg Định lý khơng thể chép (no-clonning Tính chất vướng víu lượng tử (entanglement b Quantum bit (Qubit) Một qubit (Quantum bit) hay bit lượng tử đơn vị thông tin lượng tử Trạng thái lượng tử biểu diễn dạng:  =   +  1 (1.1) c Đo lường lượng tử Đo lường lượng tử hành động dùng thiết bị lượng tử để quan sát trạng thái photon phân cực Trong mật mã lượng tử, đo lường hành động tách rời, dựa vào trạng thái phân cực photon để định xem bit cổ điển tương ứng trạng thái hay 1.2.2 Nguyên lý hoạt động giao thức phân phối khố lượng tử Mơ hình phân phối khóa lượng tử Alice (người gửi) Bob (người nhận), tùy theo giao thức cụ thể chia làm bước cụ thể, nhìn chung gồm bốn giai đoạn: + Giai đoạn 1: Alice thực mã hóa bit cổ điển chuyển qubit cho Bob Bob thực đo lường qubit + Giai đoạn 2: Alice Bob loại bit mà Alice Bob không sử dụng sở qubit Alice tạo sở + Giai đoạn 3: Alice Bob đánh giá tỷ lệ lỗi Nếu tỷ lệ lỗi lớn giới hạn lỗi họ hủy phiên truyền khóa thực lại phiên truyền khóa khác + Giai đoạn 4: Alice Bob sử dụng kỹ thuật “làm mịn khóa” để đồng khóa Alice Bob, hai bên thu khóa làm mịn khóa “tăng tính bảo mật” làm giảm thơng tin Eve khóa, họ thu khóa cuối 1.2.3 Các giao thức phân phối khóa lượng tử Dựa vào phương thức thơng tin mã hóa, QKD phân loại thành hai phương thức biến rời rạc (discrete varable-DV) biến liên tục (continous variable-CV) a Giao thức phân phối khoá BB84 Alice truyền photon đơn lẻ trạng thái định cho Bob, sử dụng kênh truyền lượng tử Vì Bob khơng biết sở mà photon mã hóa nên Bob chọn sở ngẫu nhiên để đo Bob làm điều cho photon nhận được, ghi lại thời gian, sở đo lường sử dụng kết đo Sau Bob đo tất photon, Bob liên lạc với Alice qua kênh cổ điển công khai Alice Bob trao đổi sở dùng để phân cực đo lường photon với qua kênh truyền thống xác thực Cả hai loại bỏ phép đo photon (bit) Bob sử dụng sở khác Alice, trung bình nửa, để lại nửa số bit làm khóa chia sẻ b Giao thức phân phối khoá B92 Alice gửi chuỗi photon trạng thái phân cực H trạng thái phân cực +45° chọn ngẫu nhiên Bob lựa chọn ngẫu nhiên sở tuyến tính đường chéo, để đo độ phân cực photon nhận Để xác minh việc nghe trộm, Bob Alice chia sẻ công khai phần chuỗi bit ngẫu nhiên tạo lỗi vượt qua giới hạn chấp nhận được, giao thức bị hủy bỏ Nếu khơng, tạo khóa an tồn đối xứng c Giao thức phân phối khóa sử dụng SIM với kỹ thuật điều chế BPSK Từ phía Alice, bit nhị phân khóa chuyển sang hàm dạng xung chữ nhật (g(t)) điều chế lên sóng mang RF sử dụng điều chế BPSK, bit “0” “1” biểu diễn hai pha cách 180 độ Tại phía Bob sau giải mã, tín hiệu điện qua chỉnh xung (g(-t)), lấy mẫu định bit “0”, “1”, hay “x” dựa tách sóng hai ngưỡng (DT) Bob thông báo cho Alice thời gian Bob tạo bit từ tín hiệu thu thông qua kênh công cộng Alice loại bỏ bit thời điểm mà Bob tạo giá trị khơng xác định Các bit cịn lại chuỗi bit tạo thành chuỗi bit với tên gọi khoá sàng lọc Tương tự giao thức BB84, bước thực việc đối chiếu thơng tin để hình thành nên khóa bí mật khơng có lỗi 1.3 Ứng dụng phân phối khố lượng tử Phân phối khóa lượng tử (QKD), ứng dụng quan trọng mật mã lượng tử, hứa hẹn nguyên tắc bảo mật vô điều kiện dựa định luật vật lý lượng tử 1.4 Thách thức phân phối khoá lượng tử 1.4.1 Thiết bị a Nguồn quang Nhiều nguồn quang coi nguồn photon đơn thực tế dựa khái niệm xung laser mờ, nhiên nguồn quang đảm bảo số lượng photon Mặt khác, có loại nguồn khác thử nghiệm, có khác biệt lý thuyết thí nghiệm sử dụng để tạo photon b Thiết bị đo photon Do đặc điểm vật lý vật liệu sử dụng để sản xuất máy đo, có sai lệch thông số hiệu suất lý tưởng thực tế c Hệ thống vi xử lý Hệ thống vi xử lý phụ thuộc vào phát triển điện tử liên quan đến hiệu suất cao liên quan đến xử lý tốc độ thiết kế bảng mạch in sử dụng hệ thống khác hệ thống vi xử lý Do đó, thiết bị cao cấp sử dụng hệ thống vi xử lý, nhà thiết kế cần cố gắng tối ưu hóa mà khơng ảnh hưởng đến khả hoạt động thiết bị 1.4.2 Các giao thức QKD Xu hướng giao thức đề cập đến việc đề xuất giao thức QKD cho phép dễ dàng triển khai chúng mạng thương mại quang, thông số hiệu suất khơng đổi cải thiện Ngồi ra, giao thức thứ nguyên cao đề xuất để tăng dung lượng thông tin photon tốc độ photon bị hạn chế Giao thức dựa cặp photon tương quan cho phép truyền thông tin chuỗi ký tự lớn 1.4.3 Kỹ thuật cấu trúc QKD Xu hướng hệ thống QKD-FSO liên quan đến cấu trúc kỹ thuật là: tối đa hóa dung lượng kênh, tăng khoảng cách truyền dẫn tăng tốc độ khóa bí mật, tăng hiệu tiêu thụ điện để hỗ trợ nhiệm vụ thời gian dài hơn… 1.5 Kết luận Nội dung Chương trình bày tổng quan khái niệm bản, vai trò, nguyên lý hoạt động, ứng dụng thách thức giao thức phân phối khoá lượng tử (QKD) 7 CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH KÊNH QUANG KHƠNG GIAN TỰ DO 2.1 Mở đầu FSO (Free Space Optics) công nghệ truyền thông quang không dây sử dụng laser điốt phát quang (Light Emitting Diode – LED) để truyền tín hiệu khơng gian tự thay truyền qua sợi thủy tinh mạng cáp quang 2.1.1 Lịch sử phát triển công nghệ truyền thông quang không dây Truyền thông tin quang môi trường tự đặt móng lần thí nghiệm Photophone thực Alexander Graham Bell vào năm 1880 Cột mốc quan trọng đánh dấu phát triển cơng nghệ FSO tìm nguồn quang, mà quan trọng laser vào năm 1960 Từ thời điểm trở đi, phát triển FSO nâng lên bước tiến 2.1.2 So sánh hệ thống FSO với hệ thống RF Hệ thống truyền thông FSO cung cấp nhiều ưu điểm so với hệ thống truyền thông RF Điểm khác biệt quan trọng hai hệ thống bước sóng sử dụng Tỷ lệ cao bước sóng dẫn đến khác biệt hệ thống truyền thông FSO so với hệ thống truyền thông RF như: băng thông điều chế lớn, độ phân kỳ chùm sóng hẹp, cơng suất khối lượng yêu cầu nhỏ hơn, hoạt động không cần cấp phép tần số 2.1.3 Mơ hình truyền thơng quang khơng dây Giống công nghệ truyền thông khác, hệ thống truyền thông FSO gồm ba phần gồm phát, kênh truyền thu: Bộ phát: Chức phát điều chế tín hiệu mang tin lên sóng mang quang để truyền qua khơng khí tới thu Kênh truyền: Khơng khí mơi trường truyền dẫn hệ thống truyền thông FSO Bộ thu: Chức thu khơi phục lại tin phát ban đầu từ tín hiệu quang đến 8 2.2 Mơ hình kênh quang từ vệ tinh tới mặt đất 2.2.1 Giới thiệu Hình 2.1 đưa mơ hình hệ thống hệ thống truyền thông FSO chuyển tiếp quang dựa HAP kết nối vệ tinh LEO với trạm mặt đất – mơ hình phân tích hiệu chi tiết chương Hình 2.1: Hệ thống truyền thơng FSO chuyển tiếp quang dựa HAP kết nối vệ tinh LEO trạm mặt đất 2.2.2 Hệ thống truyền thông FSO kết nối vệ tinh LEO với trạm mặt đất Hệ thống bao gồm phần: vệ tinh LEO đóng vai trò phát độ cao 610 km so với bề mặt Trái Đất; HAP đóng vai trị nút chuyển tiếp trang bị thu phát; thu đặt GS Tín hiệu quang từ vệ tinh LEO chuyển tiếp miền quang HAP trước tiếp tục gửi đến trạm mặt đất 2.2.3 Mơ hình kênh quang kết nối từ vệ tinh LEO tới HAP Tín hiệu từ vệ tinh LEO truyền qua không gian tự tới HAP Suy hao không gian tự (Free Space Loss – FSL) tác nhân gây suy yếu tín hiệu thu HAP biểu diễn sau: FSL = 4 Ls  công suất thu HAP tính tốn sau: (2.1) (P) r P S P Pt ( S )GTX GRX = FSL (2.2) 2.2.4 Mơ hình kênh quang kết nối từ HAP tới trạm mặt đất Kênh khơng khí HAP GS bị ảnh hưởng hai tác nhân gồm suy hao đường truyền nhiễu loạn khí Cụ thể ảnh hưởng tác nhân phân tích mục 2.3, 2.4 2.3 Suy hao đường truyền Hiệu hệ thống truyền thông FSO bị ảnh hưởng tác động đa dạng từ môi trường sương mù, tuyết, mưa làm cho công suất tín hiệu thu bị suy giảm Với tuyến FSO mặt đất, cường độ tín hiệu thu khoảng cách L từ phát có quan hệ với cường độ tín hiệu phát theo quy luật Beer – Lambert sau: hla = PR = exp  − ( ) L  PT (2.3) Hấp thụ: xảy có tương tác photon phần tử khơng khí q trình truyền lan Các bước sóng sử dụng FSO chọn để trùng với cửa sổ truyền lan khơng khí, kết hệ số suy hao bị chi phối chủ yếu tán xạ nước, coi 𝛾(𝜆) ≅ 𝛽𝑎 (𝜆) Tán xạ: kết việc phân bố lại góc trường quang có khơng có thay đổi bước sóng Ảnh hưởng tán xạ phụ thuộc vào bán kính rm hạt (sương mù, nước) gặp phải trình truyền lan Một cách mô tả tượng xét tham số kích cỡ 𝑥0 = 2𝜋𝑟𝑚 /𝜆 Nếu x01 tán xạ thuộc loại khác (quang hình học) 2.4 Nhiễu loạn khí Sự khơng đồng (gây nhiễu loạn khơng khí) nhỏ rời rạc, xoáy lốc với nhiệt độ khác nhau, hoạt động lăng kính khúc xạ có 10 kích cỡ số khúc xạ khác Sự tương tác búp sóng quang mơi trường nhiễu loạn dẫn tới kết pha biên độ trường quang mang thông tin thay đổi cách ngẫu nhiên, làm cho hiệu liên kết FSO bị suy giảm Nhiễu loạn khí phân loại theo mơ hình phụ thuộc vào độ lớn thay đổi số khúc xạ khơng đồng Hai mơ hình sử dụng phổ biến nhất, mơ hình log- chuẩn mơ hình Gamma-Gamma 2.4.1 Mơ hình nhiễu loạn Log-chuẩn Hàm phân bố log-chuẩn công thức (2.4) I   (ln( ) − E (l ))   I0 1  P( I ) = exp  2 l2   2 l2 I     (2.4) 2.4.2 Mơ hình nhiễu loạn Gamma-gamma Hàm phân bố cường độ trường theo phân bố Gamma-gamma sau:  + p( I ) =   I  2( ) (  +2  )−1 p   p( I x )dI x = I K − ; I  I  (  )  (  )  x (2.5) 2.5 Kết luận chương Nội dung Chương trình bày chi tiết mơ hình tốn học kênh truyền thơng quang khơng dây FSO, mơ hình hóa ảnh hưởng tham số kênh truyền lên cường độ tín hiệu quang phía thu 11 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG HỆ THỐNG QKD DỰA TRÊN VỆ TINH SỬ DỤNG KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP 3.1 Mơ hình hệ thống QKD vệ tinh – mặt đất 3.1.1 Giao thức QKD dựa SIM/BPSK DT/DD Giao thức QKD thực hệ thống đề xuất dựa SIM sử dụng khóa dịch pha nhị phân (SIM/BPSK), thu DT/DD tương tự hoạt động giao thức BB84 ban đầu, Alice tạo tín hiệu điều chế SIM/BPSK với độ sâu điều chế nhỏ 0