[发明专利]基于卫星的广域量子通信网络系统及通信方法

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种量子通信网络及通信方法，具体涉及一种基于卫星的广域量子通信网络系统及通信方法，可用于构建覆盖全球的量子通信网络。

背景技术

量子通信是利用量子力学系统和信息论理论从而达到信息的无条件安全传输的一种通信方式。它具有无条件的绝对安全性、传输的高效性等特点，因此，得到了广泛的重视，取得了快速的发展。一些公司和研究机构已经开始尝试以不同方式建立量子通信网络，包括美国国防部高级研究计划局DARPA量子通信网络、欧洲建立的保密通信网络SECOQC、东京量子密钥分发网络、量子电话网和量子政务网。这些量子通信网络都是局域量子通信网络，且包含的节点数目都只有3到10个，即使2013年我国建成的世界上规模最大，功能最齐全的济南量子保密通信实验网也只有56个节点。

为了解决传统量子通信网络仅可以实现局域量子通信网络的问题，研发人员做了进一步探索。例如，在2014年，王双等在期刊Optics Express 22(18)21739-21756页发表文章《Field and long-term demonstration of a wide area quantum key distribution network》，提出了一种广域量子通信网络，该网络覆盖巢湖、芜湖和合肥三个城市，其中巢湖包括一个作为可信中继的节点，芜湖包括三个节点，合肥包括五个节点，这些节点包括量子密钥分发QKD设备、光交换机和量子密钥分发QKD路由器，节点之间是通过光纤链路相联。在通信过程中，相邻节点之间通过光纤链路协商密钥，并利用其协商出的密钥对信息进行加密，实现了三个城市之间的互联，通信范围达到150km。但是，该网络只有九个节点，不能满 足大规模量子通信网络的需求，且通信范围较小。因此需要更进一步探索如何扩大量子通信网络规模及扩展量子安全通信距离。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于卫星的广域量子通信网络系统及通信方法，用于解决现有量子通信网络系统及通信方法中存在的网络规模小和通信距离短的技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于卫星的广域量子通信网络系统，包括多个量子可信中继、多个地面站3、多个量子终端、多条光纤量子密钥分发链路4和多条自由空间量子密钥分发链2，其中：

量子可信中继包括配置有QKD终端的量子路由器13、卫星11和量子网关12，用于扩展量子密钥分发的有效距离以及加密和解密信息，其中量子路由器13还用于路由管理，量子网关12还用于中继信令消息；

地面站3包括QKD终端和光学设备，用于实现星地量子密钥分发；

量子终端包括固定电话54、计算机51、移动用户52和车载53；

光纤量子密钥分发链路4和自由空间量子密钥分发链路2，均包括至少一条经典信道和一条量子信道，经典信道用于传输量子密钥分发的辅助信息和加密后的数据，量子信道用于传输密钥协商产生的量子态；其中光纤量子密钥分发链路4用于实现量子网关12与量子路由器13、地面站3、固定电话54、计算机51及量子路由器13之间的联接；自由空间量子密钥分发链路2用于实现卫星11与地面站3及卫星11之间的联接。

上述基于卫星的广域量子通信网络系统，所述的量子密钥分发，用于协商通信双方加密信息所需要的密钥。

上述基于卫星的广域量子通信网络系统，卫星11采用低轨道卫星。

上述基于卫星的广域量子通信网络系统，地面站3采用光学地面站。

一种基于卫星的广域量子通信网络系统的通信方法，包括如下步骤：

(1)各个量子可信中继之间以及量子可信中继与地面站之间通过量子密钥分发链路协商出量子密钥，并且将该量子密钥存储在链路两端的地面站或量子可信中继；

(2)源量子终端与目的量子终端建立连接，并向与其相联的量子网关发送信息；

(3)量子网关判断接收到的信息的IP数据报的数据域，是否为数据包，若是，执行步骤(4)，否则，将接收到的信息通过经典信道发送给目的量子终端；

(4)量子网关利用步骤(1)中存储的量子密钥，对其接收到的信息进行逐跳加密并传送，按如下步骤实现：

(4a)量子网关判断其存储的量子密钥量是否大于其接收到的信息的比特数，若是，利用其存储的量子密钥对接收到的信息进行加密，并将加密后的信息通过经典信道传输给其相邻节点，并执行步骤(4b)，否则，通知源量子终端与目的量子终端中断通信，并执行步骤(5)；