Tóm tắt Luận văn Phân tích hiệu năng hệ thống phân phối khóa lượng tử dựa trên vệ tinh sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
-------***-------
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
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
( Theo định hướng ứng dụng)
Hà Nội - 2021
Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG 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 này được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lúc: 9h30 ngày 09 tháng 01 năm 2021
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
1
MỞ ĐẦU
Việc bảo mật thông tin ngày càng được quan tâm, đặc biệt là những thông tin
được truyền qua cơ sở hạ tầng mạng Internet không được bảo mật. Phương pháp bảo
mật phổ biến nhất là sử dụng khóa mật mã hóa bí mật dựa trên các thuật toán mật mã.
Trong phương pháp này, bên gửi hợp pháp (Alice) và bên nhận hợp pháp (Bob) phải
chia sẻ khóa bí mật qua kênh công khai không an toàn. Tuy nhiên, vấn đề nằm trong
việc phân phối khóa nghĩa là làm sao hai bên gửi và nhận phải thông báo một cách
bảo mật cho nhau về khóa bí mật được sử dụng để mã hóa thông tin. Để giải quyết
được vấn đề này, rất nhiều giao thức phân phối khóa đã được đề xuất. Một trong
những giao thức phân phối khóa nhận được nhiều sự quan tâm hiện nay là giao thức
phân phối khóa lượng tử (QKD), trong đó hai bên gửi và nhận có thể trao đổi khóa bí
mật qua kênh lượng tử, thậm chí cả khi có mặt của bên nghe trộm thứ ba (Eve).
Để phân phối khóa bí mật sử dụng giao thức DV/CV-QKD giữa Alice và Bob.
Trong đó, phương pháp phân phối khóa lượng tử dựa trên sợi quang đã được nghiên
cứu và rất nhiều ứng dụng đã được triển khai, nhưng đây chỉ là phương pháp sử dụng
cho các đầu cuối cố định. Tuy nhiên, có rất nhiều ứng dụng thực tế, bao gồm cả trong
đời sống hàng ngày hay trong quân đội, mà trong đó đầu cuối sử dụng là các thiết bị
di động, ví dụ như các mạng xe cộ, đòi hỏi các giải pháp QKD vô tuyến. Trong bối
cảnh đó, FSO, một hệ thống dễ thực thi và có chi phí hợp lý, có thể được sử dụng để
truyền khóa lượng tử tới các trạm di động. Cũng như các hệ thống FSO khác, hệ
thống QKD dựa trên FSO chịu rất nhiều ảnh hưởng của môi trường khí quyển như
hấp thụ, tán xạ,... làm hạn chế khoảng cách truyền dẫn. Do vậy, sử dụng trạm chuyển
tiếp là một giải pháp đã được đề xuất để mở rộng khoảng cách hoạt động của các hệ
thống này. Nhận thấy tính thiết thực của đề tài, học viên xin chọn hướng nghiên cứu
“Phân tích hiệu năng hệ thống phân phối khóa lượng tử dựa trên vệ tinh sử dụng kỹ
thuật chuyển tiếp” làm đề tài cho luận văn tốt nghiệp thạc sỹ của mình. 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 HAP. Tham
2
số hiệu năng mà luận văn hướng tới là tốc độ khoá bí mật. Bố cục luận văn gồm 3
chương chính:
Chương 1: Tổng quan về phân phối khoá lượng tử
Chương 2: Mô hình kênh quang không gian tự do
Chương 3: Phân tích hiệu năng hệ thống QKD dựa trên vệ tinh sử dụng kỹ
thuật chuyển tiếp
Trong phần Kết luận, luận văn tóm tắt các kết quả nghiên cứu chính của luận
văn cùng với những bàn luận xung quanh đóng góp mới cả về ưu điểm và hạn chế từ
đó đưa ra những gợi mở cần tiếp tục nghiên cứu.
3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHÂN PHỐI KHOÁ LƯỢNG TỬ
1.1 Vai trò của phân phối khoá lượng tử
Hiện nay có rất nhiều thuật toán mã hoá hiện đại như chuẩn mã hóa tiên tiến
(AES) rất khó bị phá vỡ nếu như không có khóa, nhưng hệ thống này có một nhược
điểm là khóa phải được biết cả hai phía. Như vậy mọi thuật toán mã hoá, bài toán
truyền thông kín quy về bài toán làm sao phân phối những khóa này một cách an toàn
– bản tin được mã hoá có thể được an toàn gửi đi theo một kênh công khai. Giải pháp
cho bài toán này là sử dụng một đối tượng mang an toàn để vận chuyển khóa từ nơi
gửi đến nơi nhận.
Mật mã lượng tử hay sự phân phối khóa lượng tử chính xác hơn, mang lại một
phương pháp tự động phân phối các khóa bí mật bằng sợi quang truyền thông hoặc
không gian tự do. Đặc trưng của phân phối khóa lượng tử là vốn dĩ an toàn: Giả sử
rằng các định luật của thuyết lượng tử là đúng, thì chúng ta có thể chứng minh khóa
đó không thể bị bên tấn công thu được mà không có sự phát hiện của người gửi và
người nhận. Hơn nữa, phân phối khóa lượng tử cho phép khóa thay đổi thường
xuyên, làm giảm nguy cơ mất trộm khóa hoặc “giải mã”, trong đó bên nghe trộm
phân tích các kiểu trong tin nhắn mã hóa để suy luận ra khóa bí mật.
1.2 Nguyên lý hoạt động giao thức phân phối khoá lượng tử
1.2.1 Các khái niệm vật lý cơ bản về cơ học lượng tử
a. Cơ sở vật lý hình thành mật mã lượng tử
Những nguyên lý cơ bản của vật lý lượng tử được sử dụng trong thông tin và
mật mã lượng tử là:
Nguyên lý bất định của Heisenberg
Định lý không thể sao chép (no-clonning
Tính chất vướng víu lượng tử (entanglement
b. Quantum bit (Qubit)
Một qubit (Quantum bit) hay bit lượng tử là một đơn vị thông tin lượng tử.
Trạng thái lượng tử được biểu diễn dưới dạng:
4
= 0 + 1
(1.1)
c. Đo lường lượng tử
Đo lường lượng tử là hành động dùng các thiết bị trong lượng tử để quan sát
trạng thái của các photon phân cực. Trong mật mã lượng tử, đo lường là một hành
động không thể tách rời, dựa vào trạng thái phân cực của các photon để quyết định
xem bit cổ điển tương ứng của trạng thái là 0 hay 1.
1.2.2 Nguyên lý hoạt động của giao thức phân phối khoá lượng tử
Mô hình phân phối khóa lượng tử giữa Alice (người gửi) và Bob (người nhận),
tùy theo giao thức cụ thể được chia ra làm các bước cụ thể, nhưng nhìn chung gồm
bốn giai đoạn:
+ Giai đoạn 1: Alice thực hiện mã hóa các bit cổ điển rồi chuyển các qubit này
cho Bob. Bob thực hiện đo lường các qubit này.
+ Giai đoạn 2: Alice và Bob loại ra các bit mà Alice và Bob không sử dụng
cùng cơ sở là các qubit được Alice tạo ra trong một cơ sở.
+ Giai đoạn 3: Alice và Bob đánh giá tỷ lệ lỗi. Nếu tỷ lệ lỗi lớn quá giới hạn lỗi
họ sẽ hủy phiên truyền khóa và thực hiện lại phiên truyền khóa khác.
+ Giai đoạn 4: Alice và Bob sử dụng kỹ thuật “làm mịn khóa” để đồng nhất
khóa giữa Alice và Bob, hai bên thu được khóa đã làm mịn khóa và “tăng tính
bảo mật” làm giảm thông tin của Eve về khóa, họ thu được khóa cuối cùng.
1.2.3 Các giao thức phân phối khóa lượng tử
Dựa vào phương thức thông tin được mã hóa, QKD có thể được phân loại
thành hai phương thức chính là biến rời rạc (discrete varable-DV) và biến liên tục
(continous variable-CV).
a. Giao thức phân phối khoá BB84
Alice truyền một photon đơn lẻ ở trạng thái được chỉ định cho Bob, sử dụng
kênh truyền lượng tử. Vì Bob không biết cơ sở mà các photon được mã hóa nên Bob
chọn một cơ sở ngẫu nhiên để đo. Bob làm điều này cho mỗi photon nhận được, ghi
lại thời gian, cơ sở đo lường được sử dụng và kết quả đo. Sau khi Bob đo tất cả các
5
photon, Bob liên lạc với Alice qua kênh cổ điển công khai. Alice và Bob trao đổi cơ
sở dùng để phân cực và đo lường photon với nhau qua một kênh truyền thống đã
được xác thực. Cả hai cùng loại bỏ các phép đo photon (bit) trong đó Bob sử dụng cơ
sở khác của Alice, trung bình là một nửa, để lại một nửa số bit làm khóa chia sẻ.
b. Giao thức phân phối khoá B92
Alice gửi một chuỗi photon ở trạng thái phân cực H hoặc trạng thái phân cực
+45° được chọn ngẫu nhiên. Bob lựa chọn ngẫu nhiên giữa cơ sở tuyến tính và đường
chéo, để đo độ phân cực của photon nhận được. Để xác minh việc nghe trộm, Bob và
Alice chia sẻ công khai một phần của chuỗi bit ngẫu nhiên được tạo và nếu lỗi vượt
qua giới hạn có thể chấp nhận được, giao thức sẽ bị hủy bỏ. Nếu không, đã có thể tạo
một khóa an toàn và đối xứng.
c. Giao thức phân phối khóa sử dụng SIM với kỹ thuật điều chế BPSK
Từ phía Alice, các bit nhị phân của khóa được chuyển sang hàm dạng xung chữ
nhật (g(t)) và được điều chế lên sóng mang con RF sử dụng điều chế BPSK, trong đó
bit “0” và “1” được biểu diễn bằng hai pha cách nhau 180 độ. Tại phía Bob sau khi
giải mã, tín hiệu điện được qua bộ chỉnh xung (g(-t)), lấy mẫu và được quyết định là
các bit “0”, “1”, hay “x” dựa trên bộ tách sóng hai ngưỡng (DT). Bob thông báo cho
Alice về thời gian Bob tạo ra các bit từ những tín hiệu thu được thông qua kênh công
cộng. Alice sẽ loại bỏ các bit tại thời điểm mà Bob tạo ra các giá trị không xác định.
Các bit còn lại trong chuỗi bit sẽ tạo thành một chuỗi bit mới với tên gọi là khoá sàng
lọc. Tương tự như giao thức BB84, tại bước này cũng sẽ thực hiện việc đối chiếu
thông tin để hình thành nên một khóa bí mật không có lỗi.
1.3 Ứng dụng phân phối khoá lượng tử
Phân phối khóa lượng tử (QKD), là ứng dụng quan trọng nhất của mật mã
lượng tử, hứa hẹn nguyên tắc bảo mật vô điều kiện dựa trên các định luật vật lý lượng
tử.
1.4 Thách thức phân phối khoá lượng tử
1.4.1 Thiết bị
a. Nguồn quang
6
Nhiều nguồn quang có thể được coi là nguồn photon đơn nhưng thực tế dựa
trên khái niệm xung laser mờ, tuy nhiên nguồn quang này không thể đảm bảo số
lượng photon. Mặt khác, có những loại nguồn khác cũng được thử nghiệm, nhưng
vẫn có sự khác biệt giữa lý thuyết và các thí nghiệm được sử dụng để tạo ra một
photon.
b. Thiết bị đo photon
Do đặc điểm vật lý của vật liệu được sử dụng để sản xuất máy đo, có sự sai
lệch giữa các thông số hiệu suất lý tưởng và thực tế.
c. Hệ thống vi xử lý
Hệ thống vi xử lý phụ thuộc vào sự phát triển điện tử liên quan đến hiệu suất
cao liên quan đến xử lý tốc độ và thiết kế của bảng mạch in được sử dụng trong các
hệ thống con khác nhau trong hệ thống vi xử lý. Do đó, bất kể thiết bị cao cấp nào
được sử dụng trong hệ thống vi xử lý, nhà thiết kế cũng cần cố gắng tối ưu hóa mà
không ảnh hưởng đến khả năng hoạt động của thiết bị.
1.4.2 Các giao thức QKD
Xu hướng của các giao thức đề cập đến việc đề xuất các giao thức QKD mới
cho phép dễ dàng triển khai chúng trong các mạng thương mại quang, trong khi các
thông số hiệu suất không đổi hoặc được cải thiện. Ngoài ra, một giao thức thứ nguyên
cao được đề xuất để tăng dung lượng thông tin photon khi tốc độ photon bị hạn chế.
Giao thức này dựa trên các cặp photon tương quan cho phép truyền thông tin bằng
một chuỗi ký tự lớn.
1.4.3 Kỹ thuật và cấu trúc trong QKD
Xu hướng của hệ thống QKD-FSO liên quan đến cấu trúc và kỹ thuật là: tối đa
hóa dung lượng kênh, tăng khoảng cách truyền dẫn và tăng tốc độ khóa bí mật, tăng
hiệu quả tiêu thụ điện năng để hỗ trợ các nhiệm vụ trong thời gian dài hơn….
1.5 Kết luận
Nội dung Chương 1 đã trình bày tổng quan về các khái niệm cơ bản, vai trò,
nguyên lý hoạt động, ứng dụng và thách thức của giao thức phân phối khoá lượng tử
(QKD).
7
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH KÊNH QUANG KHÔNG GIAN TỰ DO
2.1 Mở đầu
FSO (Free Space Optics) là một công nghệ truyền thông quang không dây sử
dụng laser hoặc điốt phát quang (Light Emitting Diode – LED) để truyền tín hiệu
trong không gian tự do thay vì truyền qua sợi thủy tinh như trong mạng cáp quang.
2.1.1 Lịch sử phát triển công nghệ truyền thông quang không dây
Truyền thông tin quang trong môi trường tự do được đặt nền móng lần đầu tiên
là bởi thí nghiệm Photophone thực hiện bởi Alexander Graham Bell vào năm 1880.
Cột mốc quan trọng đánh dấu sự phát triển của công nghệ FSO đó là sự tìm ra các
nguồn quang, mà quan trọng nhất là laser vào những năm 1960. Từ thời điểm này trở
đi, sự phát triển của FSO đã được nâng lên một bước tiến mới.
2.1.2 So sánh hệ thống FSO với hệ thống RF
Hệ thống truyền thông FSO cung cấp nhiều ưu điểm hơn so với hệ thống
truyền thông RF. Điểm khác biệt quan trọng giữa hai hệ thống đó là các bước sóng sử
dụng. Tỷ lệ cao giữa các bước sóng dẫn đến những sự khác biệt của hệ thống truyền
thông FSO so với hệ thống truyền thông RF như: băng thông điều chế lớn, độ phân
kỳ của chùm sóng hẹp, công suất và khối lượng yêu cầu nhỏ hơn, hoạt động không
cần cấp phép tần số.
2.1.3 Mô hình truyền thông quang không dây
Giống như bất kỳ công nghệ truyền thông khác, hệ thống truyền thông FSO
gồm ba phần gồm bộ phát, kênh truyền và bộ thu:
Bộ phát: Chức năng chính của bộ phát là điều chế tín hiệu mang bản tin lên
sóng mang quang để truyền qua không khí tới bộ thu.
Kênh truyền: Không khí chính là môi trường truyền dẫn của hệ thống truyền
thông FSO.
Bộ thu: Chức năng chính của bộ thu là khôi phục lại bản tin phát ban đầu từ tín
hiệu quang đi đến.
8
2.2 Mô hình kênh quang từ vệ tinh tới mặt đất
2.2.1 Giới thiệu
Hình 2.1 dưới đây đưa ra mô hình hệ thống hệ thống truyền thông FSO chuyển
tiếp quang dựa trên HAP kết nối vệ tinh LEO với trạm mặt đất – mô hình này sẽ được
phân tích hiệu năng chi tiết trong chương 3.
Hình 2.1: Hệ thống truyền thông FSO chuyển tiếp quang dựa trên HAP
kết nối vệ tinh LEO và trạm mặt đất
2.2.2 Hệ thống truyền thông FSO kết nối vệ tinh LEO với trạm mặt đất
Hệ thống bao gồm 3 phần: vệ tinh LEO đóng vai trò như bộ phát tại độ cao 610
km so với bề mặt Trái Đất; HAP đóng vai trò như một nút chuyển tiếp được trang bị
một bộ thu phát; và bộ thu được đặt tại GS. Tín hiệu quang từ vệ tinh LEO sẽ được
chuyển tiếp trong miền quang tại HAP trước khi tiếp tục gửi đến trạm mặt đất.
2.2.3 Mô hình kênh quang của kết nối từ vệ tinh LEO tới HAP
Tín hiệu từ vệ tinh LEO được truyền qua không gian tự do tới HAP. Suy hao
không gian tự do (Free Space Loss – FSL) là tác nhân chính gây ra sự suy yếu tín
hiệu thu được tại HAP và được biểu diễn như sau:
4Ls
(2.1)
FSL =
công suất thu được tại HAP được tính toán như sau:
9
P(S)GTSX GRPX
P(P)
=
t
(2.2)
r
FSL
2.2.4 Mô hình kênh quang của kết nối từ HAP tới trạm mặt đất
Kênh không khí giữa HAP và GS bị ảnh hưởng bởi hai tác nhân chính gồm suy
hao đường truyền và nhiễu loạn khí quyển. Cụ thể các ảnh hưởng của 2 tác nhân này
sẽ được phân tích ở các mục 2.3, 2.4 dưới đây
2.3 Suy hao đường truyền
Hiệu năng của hệ thống truyền thông FSO bị ảnh hưởng bởi các tác động đa
dạng từ môi trường như sương mù, tuyết, mưa và làm cho công suất của tín hiệu thu
bị suy giảm.
Với một tuyến FSO trên mặt đất, cường độ tín hiệu thu được tại khoảng cách L
từ bộ phát có quan hệ với cường độ tín hiệu phát theo quy luật Beer – Lambert như
sau:
P
ha =
= exp −
(
)L
(2.3)
R
l
P
T
Hấp thụ: xảy ra khi có sự tương tác giữa các photon và các phần tử trong không
khí trong quá trình truyền lan. Các bước sóng sử dụng trong FSO về cơ bản được
chọn để trùng với các cửa sổ truyền lan trong không khí, kết quả là hệ số suy hao bị
chi phối chủ yếu bởi sự tán xạ do hơi nước, do đó có thể coi 훾(휆) ≅ 훽푎(휆).
Tán xạ: là kết quả của việc phân bố lại góc của trường quang khi có và không
có sự thay đổi bước sóng. Ảnh hưởng của tán xạ phụ thuộc vào bán kính rm của các
hạt (sương mù, hơi nước) gặp phải trong quá trình truyền lan. Một cách mô tả hiện
tượng này là xét tham số kích cỡ 푥0 = 2휋푟푚/휆. Nếu x0<<1 thì tán xạ là tán xạ
Rayleigh, nếu 푥0 ≈ 1 là tán xạ Mie và nếu x0 >>1 thì tán xạ có thể thuộc loại khác
(quang hình học).
2.4 Nhiễu loạn khí quyển
Sự không đồng nhất (gây ra nhiễu loạn không khí) là do các ô nhỏ rời rạc, hoặc
các xoáy lốc với nhiệt độ khác nhau, hoạt động như những lăng kính khúc xạ có các
10
kích cỡ và chỉ số khúc xạ khác nhau. Sự tương tác giữa búp sóng quang và môi
trường nhiễu loạn dẫn tới kết quả là pha và biên độ của trường quang mang thông tin
thay đổi một cách ngẫu nhiên, làm cho hiệu năng của liên kết FSO bị suy giảm.
Nhiễu loạn khí quyển được phân loại theo các mô hình phụ thuộc vào độ lớn của sự
thay đổi chỉ số khúc xạ và sự không đồng nhất. Hai mô hình được sử dụng phổ biến
nhất, đó là mô hình log- chuẩn và mô hình Gamma-Gamma.
2.4.1 Mô hình nhiễu loạn Log-chuẩn
Hàm phân bố log-chuẩn như trong công thức (2.4).
I
(ln( ) − E(l))2
1
l2
1
I0
P(I) =
exp
(2.4)
I
2
l2
2
2.4.2 Mô hình nhiễu loạn Gamma-gamma
Hàm phân bố cường độ trường theo phân bố Gamma-gamma như sau:
+
2
p(I) = 0
)−1
I
2()
2
p
p(I )dI =
I(+
K
−
;I 0
(2.5)
x
x
Ix
()()
2.5 Kết luận chương 2
Nội dung Chương 2 đã trình bày chi tiết về mô hình toán học của kênh truyền
thông quang không dây FSO, trong đó mô hình hóa các ảnh hưởng của các tham số
chính của kênh truyền lên cường độ tín hiệu quang tại phía thu.
11
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG HỆ THỐNG QKD DỰA
TRÊN VỆ TINH SỬ DỤNG KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP
3.1 Mô hình hệ thống QKD vệ tinh – mặt đất
3.1.1 Giao thức QKD dựa trên SIM/BPSK và DT/DD
Giao thức QKD được thực hiện trong hệ thống đề xuất được dựa trên SIM sử
dụng khóa dịch pha nhị phân (SIM/BPSK), bộ thu DT/DD tương tự hoạt động của
giao thức BB84 ban đầu, trong đó Alice tạo ra các tín hiệu được điều chế SIM/BPSK
với độ sâu điều chế nhỏ 0<δ<1 theo các bit ngẫu nhiên nhị phân “0” và “1”.
3.1.2 Mô hình hệ thống
Mô hình có ba phần chính: Vệ tinh LEO (tức là Alice), một HAP chuyển tiếp
khuếch đại và chuyển tiếp tín hiệu và Bob (một chiếc xe) phát hiện tín hiệu nhận
được từ HAP để khôi phục các khóa lượng tử được truyền từ Alice. HAP được trang
bị hệ thống định hướng, thu nhận và theo dõi (PAT) để điều chỉnh HAP với các máy
phát hoặc máy thu khác. Để đơn giản, mô hình đề xuất giả định rằng hệ thống PAT
có sẵn tại HAP để Alice có thể phân phối khóa cho Bob một cách thuận lợi.
3.2 Kỹ thuật chuyển tiếp cho hệ thống QKD
3.2.1 Mô hình kênh của liên kết từ vệ tinh tới HAP
Ảnh hưởng của nhiễu loạn khí quyển có thể được bỏ qua và mô hình kênh giữa
vệ tinh và HAP bao gồm hai loại tổn thất, suy hao không gian tự do và suy hao do
lệch hướng búp sóng.
3.2.2 Mô hình kênh của liên kết HAP tới trạm mặt đất
Luận văn giả định rằng cả UAV và phương tiện mặt đất đều có chung một liên
kết và được gọi là liên kết HAP-to-Ground. Sự suy hao đường truyền và nhiễu loạn
của khí quyển là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến liên kết. Trạng thái kênh khí quyển
hp(G)
(h) có thể được biểu thị bằng 3 loại suy hao : trong đó là suy hao đường đi,
là
hl
suy hao lệch hướng búp sóng giữa HAP và phương tiện mặt đất, và
khí quyển.
là nhiễu loạn
ha
12
3.3 Phân tích hiệu năng hệ thống
Luận văn suy ra tốc độ khóa bí mật ergodic (S) của hệ thống được đề xuất
trong trường hợp tấn công trái phép máy thu.
(3.1)
S = I(A;B)−I(A;E).
Kịch bản 1: Trong trường hợp này, tín hiệu nhận được bởi HAP trái phép không
bị ảnh hưởng bởi nhiễu loạn khí quyển.
Kịch bản 2: Trong trường hợp này, Eve nằm gần Bob.
3.4 Kết quả phân tích hiệu năng và bàn luận
Tốc độ khóa bí mật được khảo sát hai kịch bản tấn công như trong phân tích:
(1) khi Eve tấn công búp sóng giữa Alice (vệ tinh) và HAP chuyển tiếp, (2) khi Eve
tấn công vào búp sóng giữa HAP và Bob (UAV hoặc phương tiện).
Kết quả phân tích: tốc độ khóa bí mật tăng lên khi Eve ở xa HAP hoặc Bob.
Điều này là do giảm công suất quang học do Eve thu thập được, do đó thông tin giữa
Alice và Eve bị giảm. Ngoài ra, với việc Bob điều chỉnh hệ số thang đo DT Bob có
thể nâng cao tính bảo mật với Alice. Cuối cùng, sử dụng các kết quả này, luận văn có
thể xác định khoảng cách tối thiểu giữa Eve và HAP hoặc Bob mà có thể đảm bảo
rằng hệ thống QKD được đề xuất được bảo mật (tức là S > 0). Ví dụ: khi Bob đặt hệ
số tỷ lệ DT, Bob luôn có thể đảm bảo kênh an toàn với Alice bất cứ khi nào Eve cách
HAP ít nhất 400m và cách Bob 40 m.
3.5 Kết luận
Mục đích chính của chương 3 là phân tích tốc độ khóa bí mật ergodic của hệ
thống được đề xuất dưới tác động của các điều kiện khí quyển, bao gồm sự hấp thụ,
tán xạ và nhiễu loạn khí quyển xuất hiện trong các kênh khí quyển trong 2 tình
huống: bên nghe trộm gần nút chuyển tiếp và bên nghe trộm gần Bob hơn. Sử dụng
các kết quả phân tích được, cuối cùng xác định được khoảng cách tối thiểu giữa Eve
và HAP hoặc Bob để đảm bảo hệ thống QKD được bảo mật.
13
KẾT LUẬN
Nội dung luận văn đã đạt được mục tiêu đề ra là phân tích hiệu năng hệ thống
phân phối khoá lượng tử dựa trên vệ tinh sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp. Các kiến thức
nền tảng và các kết quả nghiên cứu đã được trình bày trong luận văn với bố cục ba
chương như sau: (1) Tổng quan về phân phối khoá lượng tử; (2) Mô hình kênh quang
không gian tự do; (3) Phân tích hiệu năng hệ thống QKD dựa trên vệ tinh sử dụng kỹ
thuật chuyển tiếp. Luận văn đã trình bày một cách tổng quan nhất về giao thức phân
phối khoá lượng tử, các ưu điểm và thách thức đối với an toàn thông tin. Trình bày về
mô hình truyền thông tin qua không gian tự do (FSO), các nguyên nhân chính làm
suy giảm hiệu năng của hệ thống. Phân tích, đánh giá hiệu năng hệ thống phân phối
khoá lượng tử dựa trên vệ tinh sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp trong các tình huống giả
lập khác nhau.
Luận văn cũng đã tìm hiểu, tham khảo và phân tích các kết quả tính toán tốc độ
khoá bí mật trong hai trường hợp giả lập. Các kết quả đã cho thấy được những số liệu
khả quan trong việc cải thiện hiệu năng hệ thống khi có các suy hao khác nhau như
suy hao đường truyền, nhiễu nhiễu loạn khí quyển trong 2 điều kiện tấn công khác
nhau: (1) bên nghe trộm ở gần nút chuyển tiếp; (2) bên nghe trộm ở gần Bob, cũng
như xác định các phương pháp điều chế thích hợp cho hệ thống này là Phía phát sử
dụng khóa dịch pha nhị phân điều chế cường độ sóng mang phụ (SIM) (BPSK) và sử
dụng máy thu tách sóng trực tiếp/hai ngưỡng (DT/DD), HAP chuyển tiếp được trang
bị nút chuyển tiếp khuếch đại quang và chuyển tiếp (OAF). Từ tốc độ khoá bí mật
được phân tích, kết quả cuối cùng xác định được khoảng cách tối thiểu giữa Eve và
HAP hoặc Bob để đảm bảo hệ thống QKD được bảo mật – mục tiêu bảo mật thông
tin được hứa hẹn trong tương lai.
15 trang
21220
Free
Bạn đang xem tài liệu "Tóm tắt Luận văn Phân tích hiệu năng hệ thống phân phối khóa lượng tử dựa trên vệ tinh sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- tom_tat_luan_van_phan_tich_hieu_nang_he_thong_phan_phoi_khoa.pdf
