本发明专利技术公开了一种应用量子密钥分发的无人机自由空间光通信系统及方法，包括：1个地面站，1个窃听无人机和1个合法无人机。地面站与合法无人机先在量子信道和合法公共信道上建立并共享一个安全密钥，随后使用该密钥来加密信息，窃听无人机在合法无人机周围窃听密钥。在弱强大气湍流下，应用Malaga(M)分布模型，综合考虑大气湍流、路径损耗、指向误差和到达角起伏对大气湍流信道的联合衰减作用，推导出系统安全误码率和安全密钥速率的闭合表达式，并采用蒙特卡罗方法验证数值仿真结果的正确性。本发明专利技术在地到无人机的自由空间光通信中引入连续变量量子密钥分发协议和高斯最小频移键控，在改善通信质量的基础上有效的提升了系统的安全性。的安全性。的安全性。
【技术实现步骤摘要】
应用量子密钥分发的无人机自由空间光通信系统及方法
[0001]本申请涉及无线光通信领域，具体地涉及一种应用连续变量量子密钥分发的地面到无人机自由空间光通信系统及方法。
技术介绍
[0002]如今，无人机(Unmanned aerial vehicles，UAV)因其可以潜在的应用于6G、物联网、灾难救援等场景而受到广泛关注。传统中，地面站与无人机之间采用射频传输方式。然而，随着对频谱资源需求的不断提升，射频通信频谱短缺问题正变得日益严重。为解决上述问题与满足无人机通信系统对高速率的需求，自由空间光通信(Free Space Optical
‑
Communication，FSO)因其具有传输速率高、安全性高、无需频谱许可等优点成为射频通信的理想替代方案。
[0003]为了充分利用UAV在无线通信系统中的优势，在地面端与UAV间建立一条安全、高速的数据链路是至关重要的。然而，由于光束发散、发射孔径与接收孔径之间不对准引起的指向性误差、大气湍流对光信号造成的衰落和悬停无人机的方向偏移造成的到达角起伏等因素的联合影响，FSO链路的系统性能会下降并且接收端的光信号可能被外部窃听者所窃听到。
[0004]为了提升FSO系统的性能，多种调制技术被使用。使用在无人机上常用调制技术有开关键控调制、脉冲调制和圆偏振调制。然而开关键控调制和脉冲调制的调制效率低，且抗干扰性能低。圆偏振调制所需的平均功率高，且系统复杂度高。
[0005]为了防止被外部窃听者窃听到信息，密钥协商协议是保证安全通信的有效手段。当前无人机所采用的密钥协商协议主要是基于公钥密码体制，其公钥密码系统一般采用Rivest
‑
Shamir
‑
Adleman(RSA)算法，这种算法是假设基于大整数的因式分解在计算上是不可能的。然而，当前利用量子计算机已经发现Shor算法能有效因式分解大整数。因此随着量子计算机的发展，将来RSA算法可能会被破解并危及公钥系统的安全。
技术实现思路
[0006]本申请实施例的目的是提供一种应用量子密钥分发的无人机自由空间光通信系统及方法，以提升存在窃听者的情况下地到无人机自由空间光通信系统通信安全性。本专利技术在地到无人机的自由空间光通信中引入连续变量量子密钥分发(CV
‑
QKD)协议和GMSK调制，在提升系统通信性能的同时，有效的提高了系统的安全性，因而具有重要的理论意义和应用价值。
[0007]根据本申请实施例的第一方面，提供一种应用量子密钥分发的无人机自由空间光通信系统，包括：
[0008]1个地面站，包括1个能发射两种波长的激光器，其中一种波长λ
q
用于将1个随机比特序列产生器产生的比特序列先通过1个带调制深度的高斯最小频移键控(GMSK)调制器，再经过1个马赫增德尔调制器(MZM)进行电光转换后，通过1个发射天线经量子信道发送给
合法无人机，另一种波长λ
p
用于将使用安全密钥加密的传输数据先通过1个GMSK调制器，再经过1个MZM进行电光转换后，通过1个发射天线经合法公共信道发送给合法无人机；该地面站还装配有1个接收天线来接收合法无人机的光信号，该光信号经过光电探测器(PIN)进行光电转换与GMSK解调器解调后得到输出信号，该输出信号包含生成原始密钥的时间间隙信息或共享密钥信息，其中，经量子信道与合法公共信道的光信号受大气湍流影响；
[0009]1个合法无人机，包括1个用于接收光信号的接收天线，将接收到的光信号通过1个用于区分不同波长激光束的陷波滤波器、1个PIN和1个GMSK解调器后得到输出信号，所述GMSK解调器有两种解调方式，对λ
q
波长的光束进行的是带阈值的解调得到的是原始密钥信息，对λ
p
波长的光束进行的是正常解调得到的是用安全密钥加密后的数据信号，该合法无人机还将不能生成原始密钥的时间间隙信息、共享密钥信息和纠错信息通过1个GMSK调制器与λ
p
波长的光束进行电光转换后经合法公共信道发送给地面站，所述电光转换通过1个MZM完成，其中经合法公共信道的光信号受大气湍流影响；
[0010]1个窃听无人机，用于窃听经量子信道和合法公共信道传输的密钥信息与加密的数据。
[0011]根据本申请实施例的第二方面，提供一种应用量子密钥分发的无人机自由空间光通信方法，包括：
[0012](1)在地面站对要发送的随机比特序列进行GMSK调制，所述GMSK调制具有一个调制深度来使两个信号具有部分重叠，再经过1个MZM与λ
q
波长的激光进行电光转换后转换为光信号，通过1个发射天线经量子信道传给合法无人机。
[0013](2)合法无人机通过1个接收天线来接收上述光信号，该光信号在经过1个陷波滤波器来区分不同波长的激光束、1个PIN和1个GMSK解调器后得到原始密钥，所述GMSK解调器进行带阈值的解调；
[0014](3)合法无人机将上述不能生成原始密钥的时间间隙信息进行GMSK调制并通过1个MZM与λ
p
波长的激光进行电光转换后转换为光信号，通过1个发射天线经合法公共信道传给地面站，地面站通过1个接收天线来接收上述光信号，并将该光信号进行光电转换和GMSK解调后得到合法无人机不能生成原始密钥的时间间隙信息，地面站随即抛弃相对应时间间隙的比特，从而地面站与合法无人机形成共享密钥；
[0015](4)合法无人机随后将随机选择一部分共享密钥信息并将选择过程信息与所选的密钥进行GMSK调制并通过1个MZM与λ
p
波长的激光进行电光转换后转换为光信号，通过1个发射天线经合法公共信道传给地面站。地面站通过1个接收天线来接收上述光信号，并将该光信号进行光电转换和GMSK解调后得到合法无人机传输的信息，地面站根据选择过程信息随即选择相应位的密钥并结合接收到的密钥计算量子信道的安全误码率从而判断是否存在窃听者，若存在窃听者则丢弃形成的共享密钥；
[0016](5)否则，合法无人机将纠错信息进行GMSK调制并通过1个MZM与λ
p
波长的激光进行电光转换后转换为光信号，通过1个发射天线经合法公共信道传给地面站，地面站通过1个接收天线来接收上述光信号，并将该光信号进行光电转换和GMSK解调后得到合法无人机传输的纠错信息，然后地面站根据纠错信息来纠正自己的共享密钥，这一过程后地面站与合法无人机拥有相同的共享密钥；
[0017](6)地面站与合法无人机进行私密放大，即它们随机选择一个hashing函数并将上
述共享密钥作为输入，最终得到安全密钥；
[0018](7)地面站将所述安全密钥与要传输的数据进行加密算法处理后经过1个GMSK调制器、1个MZM进行电光转换后转换为光信号，通过1个发射天线经合法公共信道发送给合法无人机，合法无人机通过1个接收天线对接收到的上述光信号依次进行区分波长、光电转换、GMSK解调和解密后得到数据信息。<本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种应用量子密钥分发的无人机自由空间光通信系统，其特征在于，包括：1个地面站，包括1个能发射两种波长的激光器，其中一种波长λ
q
用于将1个随机比特序列产生器产生的比特序列先通过1个带调制深度的高斯最小频移键控(GMSK)调制器，再经过1个马赫增德尔调制器(MZM)进行电光转换后，通过1个发射天线经量子信道发送给合法无人机，另一种波长λ
p
用于将使用安全密钥加密的传输数据先通过1个GMSK调制器，再经过1个MZM进行电光转换后，通过1个发射天线经合法公共信道发送给合法无人机；该地面站还装配有1个接收天线来接收合法无人机的光信号，该光信号经过光电探测器(PIN)进行光电转换与GMSK解调器解调后得到输出信号，该输出信号包含生成原始密钥的时间间隙信息或共享密钥信息，其中，经量子信道与合法公共信道的光信号受大气湍流影响；1个合法无人机，包括1个用于接收光信号的接收天线，将接收到的光信号通过1个用于区分不同波长激光束的陷波滤波器、1个PIN和1个GMSK解调器后得到输出信号，所述GMSK解调器有两种解调方式，对λ
q
波长的光束进行的是带阈值的解调得到的是原始密钥信息，对λ
p
波长的光束进行的是正常解调得到的是用安全密钥加密后的数据信号，该合法无人机还将不能生成原始密钥的时间间隙信息、共享密钥信息和纠错信息通过1个GMSK调制器与λ
p
波长的光束进行电光转换后经合法公共信道发送给地面站，所述电光转换通过1个MZM完成，其中经合法公共信道的光信号受大气湍流影响；1个窃听无人机，用于窃听经量子信道和合法公共信道传输的密钥信息与加密的数据。2.一种应用量子密钥分发的无人机自由空间光通信方法，其特征在于，包括：(1)在地面站对要发送的随机比特序列进行GMSK调制，所述GMSK调制具有一个调制深度来使两个信号具有部分重叠，再经过1个MZM与λ
q
波长的激光进行电光转换后转换为光信号，通过1个发射天线经量子信道传给合法无人机。(2)合法无人机通过1个接收天...
【专利技术属性】
技术研发人员：王怡，王海波，姜雪雯，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。