[发明专利]一种星地量子通信系统性能指标计算方法

说明书

本发明适用于星地间的量子通信，提供了一种基于查普曼理论的电离层星地量子通信传输模型，用以精确的描绘量子信号在电离层传输过程中，电离层E层对星地量子通信特性的影响。该模型考虑了太阳天顶角的存在，在此模型下，考虑电离层E层的电子密度、传输距离以及太阳天顶角对链路衰减带来的影响。针对振幅阻尼信道，最后得到了不同波长的量子信号经电离层E层传输后，对星地量子通信性能各项指标的影响。该发明充分考虑了星地间量子信号传输的实际情况，为实际的星地量子通信系统设计提供了理论参考。

技术领域

本发明涉及一种基于查普曼理论的电离层星地量子通信传输模型，属于通信技术领域。

背景技术

量子密钥分发(Quantum Key Distribution，简称QKD)技术能够在通信双方之间产生并分享一个随机的、安全的密钥，来加密和解密消息。其安全性依赖于量子力学原理，而非数学问题的计算复杂性，因此具有理论上的无条件安全性。为了实现全球范围内的QKD，基于卫星平台的QKD系统被证明是目前最可行的方案。但由于白天时较强烈的背景光噪声影响，目前的星地QKD大都只在夜晚进行。要实现更远距离甚至是全球任意两点的量子密钥分发，基于低轨道卫星的量子密钥分发成为实现星地量子通信最有潜力和可行性的方案。

在进行星地QKD时，量子信号也会穿过电离层，从而受到电离层环境的影响。电离层E层位于距离地面约90-150km的空间范围内，其形态、结构及变化规律相对稳定，其内含有大量电离子，会对穿过其间传输的量子信号产生影响。而电离层E层内的偶发E层即Es层的出现时间及位置都具有不确定性，因此只对电离层E层的星地量子通信性能进行研究。

发明内容

发明人发现，目前的星地量子通信模型在进行性能分析时都未考虑电离层E层环境对于量子信号的影响，忽略了量子信号在实际传输过程中因E层电离子的碰撞吸收导致的衰减，这会对其性能分析产生一定程度的影响。为解决上述问题，本发明提供了一种基于Chapman理论的电离层星地量子通信传输模型，该模型针对于量子信号在电离层E层传输的场景，在此模型下，考虑了E层电离子对810nm、1550nm和3800nm三种不同波长的量子信号的碰撞吸收以及因太阳活动导致的太阳天顶角的变化，根据查普曼(Chapman)函数、空间复折射率和IRI-2016国际参考电离层模型计算了系统的衰减系数，通过WKB近似对衰减系数进行积分得到总的链路衰减，最后利用衰减系数和链路衰减对星地量子通信系统进行性能分析，更加贴合量子信号在空间环境的实际传输情况，为星地量子通信系统设计提供了理论依据。

本发明具体方法步骤如下所述：

一种基于查普曼理论的电离层星地量子通信传输模型，所述电离层星地量子通信传输模型性能分析包括：

电离层E层位于距离地面90-150km高度范围内，其形态和结构及其变化的规律比较规整，含有大量电离子，根据Chapman理论建立的Chapman模型，电离层E层的电子密度和Chapman模型符合的很好，与太阳活动呈正相关，随季节变化明显，而偶发E层即Es层的出现时间及位置都具有不确定性，因此只对电离层E层的星地量子通信性能进行研究；

利用Chapman函数求得电离层E层电子密度，得到电子密度与太阳天顶角、E层高度的关系，利用空间复折射率计算810nm、1550nm和3800nm三种不同波长的量子信号的折射衰减系数，利用IRI-2016国际参考电离层模型计算出不同波长的量子信号的吸收衰减系数，相加得到总的衰减系数。最后利用WKB近似对不同波长的量子信号的衰减系数进行积分求得系统总的链路衰减；

利用求得的衰减系数和链路衰减，基于振幅阻尼信道求得三种不同波长的量子信号的信道容量、纠缠保真度、量子误码率以及安全密钥率各项星地量子通信系统性能指标。

本发明提供的技术方案具有的有益效果是：