降雪干扰下基于演化博弈的低轨量子卫星多用户切换策略

低轨道量子卫星是构建全球天地一体化量子保密通信网的重要组成部分。单颗低轨量子卫星服务时间有限,为了保证卫星与地面用户之间的持续通信,地面终端需要及时切换至其他可供服务的卫星。为了解决降雪环境干扰下地面多用户量子卫星切换场景下的阈值判决问题,分析了大气雪环境对量子星地链路的衰减影响,提出了一种基于演化博弈的多属性量子卫星切换策略。根据用户的带宽、卫星剩余服务时间及链路衰减三个属性定义效用函数,根据星间传输时延、信道纠缠度定义开销函数,最终得到用户的收益函数,建立演化博弈切换模型。仿真结果表明,该策略具有稳定性和公平性,能够有效均衡卫星的负载,且与基于最低链路衰减和最优纠缠度的单属性切换策略相比,切换成功率分别提升了1.2%和1.5%,这对未来降雪干扰环境下低轨量子卫星网络的多用户动态切换有一定的参考意义。     

中纬度地区电离层偶发E层对量子卫星通信性能的影响

电离层偶发E层是指在距离地面高度80—150 km之间,在风剪切作用下,电子密度急剧增加的不规则电离薄层,它会对量子卫星光信号的传输造成极大的影响.然而,有关电离层偶发E层与星地间量子通信信道参数关系的研究,迄今尚未展开.为了研究偶发E层对量子卫星通信性能的影响,首先分析了它的形成过程,得出自由电子密度随高度变化的关系;然后建立了自由电子密度、偶发E层的厚度对量子卫星链路衰减的模型;针对振幅阻尼信道,给出自由电子密度对信道容量、纠缠保真度、误码率和安全密钥产生率的定量关系.理论分析和仿真结果表明,当偶发E层的厚度为1 km、电子密度由3×10~5cm~(-1)增加到27×10~5cm~(-1)时,信道容量由0.8304衰减到0.1319,纠缠保真度由0.9386下降到0.3606,量子误码率由0.0093增加到0.0769,安全密钥产生率由9.968×10~(-5)减小到1.91×10~(-6).由此可见,电子密度的大小和偶发E层的厚度对量子卫星通信性能有显著的影响.因此,在进行量子卫星通信时,应根据对电离层参数的探测情况,自适应调整卫星系统的各项指标,以确保量子通信的可靠性.     

灰霾粒子与水云粒子不同混合方式对量子卫星通信性能影响

为了研究混合粒子的不同混合方式对星地量子卫星通信的影响,根据灰霾粒子与水云粒子的谱分布函数,以及不同混合方式下的消光系数,提出了外混合方式中星地量子信道衰减的计算关系,建立了内混合方式中的Core-shell信道衰减模型;分析了在不同混合方式下,混合粒子的粒径比与信道平均保真度、信道误码率之间的定量关系.仿真结果表明,当混合粒子的粒径比分别为0.2和0.8时,外混合粒子对应信道容量、信道平均保真度、信道误码率分别为0.39和0.27,0.8和0.8,0.003和0.009;内混合粒子对应信道容量、信道平均保真度、信道误码率分别为0.8和0.21,0.94和0.81,0.018和0.021.由此可见,灰霾粒子和水云粒子的不同混合方式对量子卫星通信性能的影响有显著差别.因此,在实际的量子卫星通信系统中,应根据混合粒子的不同混合方式自适应调整系统的各项参量,以提高星地量子通信链路的可靠性.     

卷云对自由空间星地量子通信信道的影响

卷云对量子通信光信号的传输有极大的影响.根据卷云特性建立了卷云冰晶粒子的分布模型,研究了卷云的消光特性,并根据卷云的散射特性,分析了卷云冰水含量、传输距离、链路消光特性、信道容量和信道纠缠度衰减的定量关系,研究了噪声影响下隐形传态保真度的变化,并进行了仿真实验.实验结果表明,当传输距离为3 km时,在卷云冰水含量(体积质量)为0.4g·m-3的条件下,对应的链路衰减、信道容量和信道纠缠度分别为0.05 dB· km-1、0.94 dB· km-1和0.52,而在卷云冰水含量(体积质量)为0.1g·m-3的条件下,对应的链路衰减、信道容量和信道纠缠度分别为0.20 dB·km-1、0.82 dB· km-1和0.07.由实验结果可见,自南空间量子通信信道的性能在卷云的影响下均发生了不同程度的变化.因此,在进行量子通信时,需考虑卷云的影响,根据卷云的变化调整性能参数,以提高通信质量.     

自然环境中多因子对自由空间量子通信性能的影响

根据大气中尺寸与光波长相近的各粒子的粒度谱分布函数,分析了大气湿度、粒子浓度、光信号波长和粒子直径等因子与量子弱相干光信号的衰减关系.讨论了多环境因子对大气能见度的影响,得到平流层量子通信中大气能见度和探测望远镜倾角对链路衰减的影响,量子信号传输误码率、保真度与大气能见度和传输距离的定量关系.仿真实验表明,随着大气湿度和粒子浓度的增加,量子信号传输的链路衰减逐渐增加,当光信号波长与粒子直径相近时,衰减最显著;在传输距离为15km,望远镜倾角为90°的前提下,当大气能见度分别为5km和15km时,链路衰减依次为18.9dB和14.2dB,信道误码率分别为0.010 5和0.009 9,信号保真度分别为0.22和0.71.     

雾对自由空间量子通信性能的影响

为了研究雾对自由空间量子通信的影响,根据雾滴谱分布函数和消光系数,研究了雾的能见度及传输距离对链路衰减、量子通信信道容量、信道保真度及信道误码率的影响,并进行了仿真实验。结果表明,当传输距离为9 km,能见度分别为0.2 km和0.6 km时,对应的链路衰减,信道容量,信道保真度,信道误码率分别为0.76和0.25,0.24和0.4,0.91和0.97,0.01和3.26×10~(-7)。由此可见,能见度小于1 km时,雾对各项性能影响较为显著。因此,应根据雾的能见度来调整通信系统的各项参数以保证通信的顺利进行。     

星地微波光传输链路分析

根据星地大容量通信发展需求,研究了基于微波空间光传输技术的星地激光通信链路。在建立星地微波光传输链路模型的基础上,分析了链路光功率衰减、输出微波信号、噪声功率以及在大气湍流信道下系统的误码率。仿真分析了调制器直流偏置电压大小对链路输出信噪比和误码率的影响,结果表明,相对于通常的正交偏置工作点,通过优化控制直流偏置点的位置,可以提高链路输出信噪比和误码率,这种改善程度随着调制系数的减小而增大。该研究为建立星地微波光传输系统提供了有益参考。     

星-地量子密钥分发链路持续时间分析与仿真

链路持续时间是影响卫星量子密钥分发量子比特率的重要参数.文章分析了影响星-地单光子和纠缠光子量子密钥分发链路持续时间的若干因素,并且进行了数值仿真研究.结果表明,随着轨道高度的增加或者地面最小通信仰角的减小,单光子和纠缠光子链路的持续时间有较大的改善;单光子链路时地面站同卫星星下点轨迹间的距离和纠缠光子链路时两地面站之间的距离也均是影响链路持续时间的重要参数;纠缠光子链路持续时间的影响因素较单光子链路更为复杂,其最终决定于卫星星下点轨迹同两地面站之间的位置关系.     

降雪对地表附近自由空间量子信道的影响及参数仿真

量子通信具有覆盖面广、安全保密的优势,是当前通信领域国内外的研究热点.在自由空间量子通信过程中,光量子信号需要在地表上空一定高度进行传输,因此各种环境因素,例如降雪、沙尘暴、降雨、雾霾、浮尘等,不可避免地会影响量子通信性能.然而,迄今为止,降雪对地表附近自由空间量子信道影响的研究尚未展开.为此,根据降雪的强度,将降雪分为小雪(S1)、中雪(S2)、大雪(S3)和暴雪(S4)四个等级.由于空中正在飘落雪花对光量子信号具有能量吸收作用,称为消光效应,不同强度的降雪,其消光效应对自由空间光量子信号的影响不同.本文首先建立了不同等级降雪对光量子信号消光效应的数学模型;然后建立了因降雪导致的自由空间消光衰减定量关系,信道极限生存函数、不同降雪强度下的信道容量和量子误码率等性能参数受降雪影响的变化情况;最后建立了降雪强度、传输距离与链路衰减、幅值阻尼信道容量、信道生存函数以及信道误码率的数学模型.仿真结果表明,当降雪强度为2.1 mm/d(S1),传输距离为2.2 km时,通信链路衰减为0.0362,信道容量为0.7745,信道生存函数为0.2329,信道误码率为0.0105.当降雪强度为3.8 mm/d(S2)。传输距离为3.5 km时,通信链路衰减为0.1326,信道容量为0.4922,信道生存函数为0.2099,信道误码率为0.019.由此可见,降雪对量子通信性能有不同程度的影响.所以在实际应用中应根据降雪强度大小,自适应调节量子通信相关参数,提高量子通信的可靠性.     

基于纠缠态的量子通信网络的量子信道建立速率模型

针对基于纠缠态的量子通信网络, 提出了网络模型. 基于网络模型, 首先分析了基础链路的量子信道建立速率. 然后根据基础链路的量子信道建立速率, 针对不同的量子信道建立方法, 对中继长链路上的量子信道建立速率进行分析, 得到在逐点方法和分段方法下所对应的量子信道建立速率. 最后, 利用逾渗模型, 对大规模纠缠态量子通信网络中任意两点间的量子信道建立速率进行分析, 推导出n个节点量子通信网络中, 量子信道建立速率为Ω (1/n).     

基于高损耗信道的纠缠分发实验模拟

实验模拟了总信道损耗70 dB的纠缠分发和Bell不等式的破坏,相当于纠缠光子对从轨道高度350 km的卫星上发射(口径13.5 cm),到仰角大于10°的地面站被接收(口径100 cm)的信道损耗^[11],模拟纠缠分发距离超过千公里;并且通过理论和实验研究,明确了高信道衰减下量子纠缠分发的关键技术突破点,首先必须降低系统暗计数和提高系统时间分辨,在此基础上提高纠缠源的亮度,系统将能容忍更高的信道衰减,实现更远的通信距离. 关键词： 纠缠分发 信道损耗 时间分辨 Bell不等式     

基于纠缠度计算的量子移动信令相邻小区越区切换策略及仿真

信令是任何通信系统必不可少的重要组成部分,量子移动通信也不例外.然而,关于量子移动通信信令在相邻小区越区切换过程中的切换策略问题的研究迄今尚未展开.随着移动用户位置的改变,用户与基站间的纠缠度不断变化.本文提出了基于纠缠度计算的量子信令在相邻小区的越区切换策略.首先定义了信令纠缠度与距离的关系,然后研究了用户位置改变所导致用户与基站之间信令纠缠度的变化情况,提出了基于纠缠度阈值计算的切换算法.仿真结果表明,本文所提出的信令切换策略可靠性高,能够在各基站之间实现平稳切换.因此,本研究对于构造量子移动通信网络的信令系统及其标准的制定具有极为重要的技术支撑作用.     

基于纠缠度计算的量子移动信令相邻小区越区切换策略及仿真

信令是任何通信系统必不可少的重要组成部分,量子移动通信也不例外.然而,关于量子移动通信信令在相邻小区越区切换过程中的切换策略问题的研究迄今尚未展开.随着移动用户位置的改变,用户与基站间的纠缠度不断变化.本文提出了基于纠缠度计算的量子信令在相邻小区的越区切换策略.首先定义了信令纠缠度与距离的关系,然后研究了用户位置改变所导致用户与基站之间信令纠缠度的变化情况,提出了基于纠缠度阈值计算的切换算法.仿真结果表明,本文所提出的信令切换策略可靠性高,能够在各基站之间实现平稳切换.因此,本研究对于构造量子移动通信网络的信令系统及其标准的制定具有极为重要的技术支撑作用.     

基于分组交换的量子通信网络传输协议及性能分析

量子纠缠交换能够建立可靠的量子远程传输信道, 实现量子态的远程传输. 然而, 基于纠缠交换的量子信道要求网络高度稳定, 否则会浪费大量纠缠资源. 为节省纠缠资源, 本文根据隐形传态理论, 提出了一种基于分组交换的量子通信网络传输协议, 建立了发送量子态所需的纠缠数目与所经过的路由器数、链路错误率的定量关系, 并与纠缠交换传输协议进行了比较. 仿真结果表明, 在链路错误率为0.1% 时, 分组传输协议所使用的纠缠数目少于纠缠交换的数目, 另外, 随着错误率的升高, 分组传输协议所需的纠缠数比纠缠交换协议明显减少. 由此可见, 基于分组交换的量子通信网络传输协议在网络不稳定时, 能够节省大量纠缠资源, 适用于链路不稳定的量子通信网络.     

Space-to-Ground Quantum Key Distribution Using a Small-Sized Payload on Tiangong-2 Space Lab

Quantum technology establishes a foundation for secure communication via quantum key distribution(QKD). In the last two decades, the rapid development of QKD makes a global quantum communication network feasible. In order to construct this network, it is economical to consider small-sized and low-cost QKD payloads, which can be assembled on satellites with different sizes, such as space stations. Here we report an experimental demonstration of space-to-ground QKD using a small-sized payload, from Tiangong-2 space lab to Nanshan ground station. The 57.9-kg payload integrates a tracking system, a QKD transmitter along with modules for synchronization, and a laser communication transmitter. In the space lab,a 50 MHz vacuum+weak decoy-state optical source is sent through a reflective telescope with an aperture of 200 mm. On the ground station, a telescope with an aperture of 1200 mm collects the signal photons. A stable and high-transmittance communication channel is set up with a high-precision bidirectional tracking system, a polarization compensation module, and a synchronization system.When the quantum link is successfully established,we obtain a key rate over 100 bps with a communication distance up to 719 km. Together with our recent development of QKD in daylight,the present demonstration paves the way towards a practical satellite-constellation-based global quantum secure network with small-sized QKD payloads.     

降雨背景下诱骗态协议最优平均光子数的变色龙自适应策略

为了应对降雨给采用诱骗态协议的量子通信系统带来的突发性干扰,根据降雨分布模型和退极化信道的特性,本文提出了基于变色龙算法的每脉冲最优平均光子数自适应策略;建立了降雨强度、链路距离与最优平均光子数之间的自适应关系;并对采用变色龙算法前后,系统的性能参数进行了比较.仿真结果表明,当降雨强度J为30 mm/24 h、链路距离L为30 km时,通过采用变色龙算法,系统的安全密钥生成率由2×10~(-4)提高到3.5×10~(-4);当J为60 mm/24 h,L为20 km时,系统的信道生存函数值由0.52提高到0.63;当要求生存函数不低于0.5时,系统能够应对的最大雨强由62 mm/24 h提高到74 mm/24 h.因此,根据降雨强度和链路距离,通过变色龙算法自适应地调整系统发送端信号脉冲所含的平均光子数,可以提高量子通信系统在降雨背景下的有效性和可靠性.     

低轨道量子卫星通信星上交换算法及仿真

量子卫星通信能够解决量子移动通信在航海、航空领域中对于远距离和大范围的需求,而星上交换是量子卫星通信的关键技术之一.本文以低轨道量子卫星通信星上交换为研究对象,提出了一种新的星上交换算法——终端测距法.利用该算法测得终端到相邻小区中心的距离,并将测得的数据上传给当前服务卫星系统,再由卫星系统通过比较距离大小决定终端是否切换.数学分析和仿真结果表明,该算法可靠性高、操作方便,能够在各卫星之间实现平稳切换.