量子通訊衛(wèi)星

探析量子保密通信在鐵路調(diào)度通信中的

應(yīng)用

摘要：現(xiàn)如今，伴隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)的交通領(lǐng)域也得到了快速

的發(fā)展，而鐵路交通作為交通領(lǐng)域的重要組成部分，其運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性不

僅關(guān)乎乘客的安全，同時(shí)也對(duì)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益產(chǎn)生直接的影響。鐵路調(diào)

度通信是鐵路交通中尤為重要的系統(tǒng)之一，在其中應(yīng)用量子保密通信技術(shù)能夠進(jìn)

一步提升數(shù)據(jù)信息傳遞的安全性與穩(wěn)定性，這對(duì)于提升鐵路調(diào)度通信工作質(zhì)量是

十分又必要的。基于此，本文開(kāi)展了對(duì)量子保密通信在鐵路調(diào)度通信中的應(yīng)用研

究，希望對(duì)相關(guān)人員有所啟示。

關(guān)鍵詞：鐵路交通；鐵路調(diào)度通信；量子通信技術(shù)；量子保密通信

引言：現(xiàn)如今，在鐵路通信系統(tǒng)當(dāng)中，鐵路調(diào)度工作是尤為重要的工作，其

是能夠?yàn)殍F路運(yùn)行提供指導(dǎo)性意見(jiàn)。現(xiàn)如今，伴隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，量子

通信技術(shù)也得到了快速的發(fā)展，在鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)當(dāng)中，最常用的量子技術(shù)便

是量子保密通信技術(shù)，其能夠良好的保證數(shù)據(jù)信息的安全，且能夠進(jìn)一步提升信

息傳遞的效率與質(zhì)量，由此可見(jiàn)，在鐵路調(diào)度通信中應(yīng)用量子保密技術(shù)是十分有

必要的。

1.

相關(guān)理論研究

1.1鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)

現(xiàn)如今，我國(guó)已經(jīng)步入了信息化時(shí)代、網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代，在鐵路交通領(lǐng)域中，鐵

路通信系統(tǒng)便是信息傳遞的重要系統(tǒng)，而在鐵路通信系統(tǒng)當(dāng)中，鐵路調(diào)度通信系

統(tǒng)是核心系統(tǒng)，其主要功能為調(diào)度信號(hào)，通過(guò)信號(hào)的調(diào)度提升信號(hào)傳遞效率及質(zhì)

量，以保證信息傳遞效率與質(zhì)量。就目前情況而言，通常情況下鐵路調(diào)度通信系

統(tǒng)采用的均為星型環(huán)型結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)不僅能夠最大程度上提升信號(hào)傳遞效率，

且能夠提升傳遞范圍，該結(jié)構(gòu)是由多個(gè)干線調(diào)度通信網(wǎng)和區(qū)段調(diào)度通信組成，能

夠全面的獲取相關(guān)信息。在鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)當(dāng)中，干線是最為重要的組成部分，

每一條干線上都含有該線路上列車、貨運(yùn)、動(dòng)車等的相關(guān)信息，通過(guò)對(duì)指定干線

的調(diào)度便能夠完成列車調(diào)度、貨運(yùn)調(diào)度、動(dòng)車調(diào)度等工作，該種方式較為簡(jiǎn)便且

不易出現(xiàn)披露，能夠最大程度上保證調(diào)度工作的效率與質(zhì)量[1]。

1.2量子通信關(guān)鍵技術(shù)

總體而言，量子通信技術(shù)的功能主要包括兩種，一種為信號(hào)信息的傳遞，而

另一種為信息傳遞的保護(hù)，量子通信的信息傳遞是讓信號(hào)以量子的形態(tài)實(shí)現(xiàn)量子

隱形傳遞，信息傳遞保護(hù)主要應(yīng)用的是量子密鑰分發(fā)，其主要保護(hù)的是傳輸中信

息的安全。就目前情況而言，伴隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)量子通信技術(shù)的研

究越來(lái)越深入，這就使得量子通信技術(shù)在我國(guó)鐵路交通領(lǐng)域中取得了良好的應(yīng)用。

2017年，我國(guó)首次開(kāi)通了量子保密通信干線——京滬干線，該條干線連接了北京、

上海、濟(jì)南、合肥等眾多區(qū)域，累積32個(gè)中繼站點(diǎn)。量子通信主要是應(yīng)用衛(wèi)星

傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞，2017年，我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域研究人員完成了“墨子號(hào)”衛(wèi)

星科學(xué)試驗(yàn)并通過(guò)北京接入點(diǎn)實(shí)現(xiàn)天地互聯(lián)，為“京滬干線”的順利應(yīng)用奠定了

堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。總的來(lái)說(shuō)，我國(guó)的量子通信技術(shù)研究效果較佳，且相對(duì)成熟，現(xiàn)如

今，我國(guó)的量子通信領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。實(shí)際上，在鐵路調(diào)度通信網(wǎng)

絡(luò)中主要應(yīng)用的是量子密鑰分發(fā)技術(shù)及異或中繼技術(shù)。

量子密鑰分發(fā)技術(shù)是量子通信中最先研發(fā)并推廣的技術(shù)之一，將其應(yīng)用于鐵

路通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)當(dāng)中能夠加強(qiáng)對(duì)數(shù)據(jù)信息的保護(hù)。在信息傳遞的過(guò)程中，發(fā)送信

息的用戶在發(fā)送信息時(shí)將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)的密鑰，密鑰將會(huì)分發(fā)給信息發(fā)送用戶

和信息接收用戶，信息在發(fā)送時(shí)，需要輸入密鑰系統(tǒng)才會(huì)完成信息的發(fā)送，而當(dāng)

信息傳遞到接收用戶時(shí)，接收用戶便需要使用該密鑰對(duì)信息信號(hào)進(jìn)行解碼，從而

才能夠獲取數(shù)據(jù)信息。在該系統(tǒng)中，信息的傳輸通道為量子信道，信息發(fā)送用戶

將信息轉(zhuǎn)化為單光子，每一個(gè)單光子都是一個(gè)量子比特，它使用兩組共軛基下的

4個(gè)非正交的偏振態(tài)來(lái)進(jìn)行編碼。在量子通信系統(tǒng)當(dāng)中，將會(huì)產(chǎn)生三個(gè)通道，分

別為量子信道、經(jīng)典信道及業(yè)務(wù)信道。量子信道是量子信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ溃葱畔?/p>

轉(zhuǎn)化為單光子之后由量子信道完成單光子的傳輸；經(jīng)典信道是用戶與用戶之間傳

輸量子密鑰的通道，密鑰產(chǎn)生之后將由該信道傳遞給信息發(fā)送用戶與信息接受用

戶；業(yè)務(wù)信道是業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ溃淅肰PN網(wǎng)關(guān)建立IPc隧道，各類業(yè)

務(wù)數(shù)據(jù)信息均由該信道傳輸，且若想業(yè)務(wù)信道實(shí)現(xiàn)其功能，需要在信號(hào)發(fā)送用戶

與接收用戶分別安裝量子VPN設(shè)備，以促使信息能夠順利的發(fā)送、傳遞并接收[2]。

在經(jīng)典信道中，是對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理從而完成對(duì)信號(hào)的破解并最終獲取數(shù)

據(jù)信息，而實(shí)際上，由于量子通信中信號(hào)適宜單光子的形式傳遞的，雖然對(duì)信號(hào)

進(jìn)行放大處理能夠有效的獲取數(shù)據(jù)信息，但放大過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲將會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)信

息產(chǎn)生影響，進(jìn)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)信息的真實(shí)性與準(zhǔn)確性無(wú)法得到保證。同時(shí)，由于信

號(hào)在傳輸過(guò)程中，若傳輸距離較遠(yuǎn)，則也很容易導(dǎo)致信號(hào)丟失，但實(shí)際上，鐵路

通信的特性導(dǎo)致信號(hào)必須實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，針對(duì)此上述問(wèn)題，相關(guān)領(lǐng)域研究學(xué)者

利用量子通信技術(shù)研發(fā)了異或中繼技術(shù)。異或中繼技術(shù)是在兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)

密鑰的傳遞與協(xié)商，隨后將量子信號(hào)傳遞給下一節(jié)點(diǎn)，并產(chǎn)生新的密鑰。出密鑰

外，在信號(hào)傳輸時(shí)還會(huì)產(chǎn)生密鑰的明文，以進(jìn)一步解決保證節(jié)點(diǎn)中信息的安全。

1.

量子保密通信在鐵路調(diào)度通信中的應(yīng)用研究

2.1骨干網(wǎng)應(yīng)用量子保密通信

骨干網(wǎng)是鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)中最為重要的造成部分，其連接了鐵路通信系統(tǒng)

中的全部干線，是實(shí)現(xiàn)對(duì)全部干線執(zhí)行統(tǒng)一控制的關(guān)鍵系統(tǒng)。骨干網(wǎng)的信號(hào)傳遞

主要依托于量子通信系統(tǒng)的經(jīng)典信道，骨干網(wǎng)通過(guò)經(jīng)典信道連接各區(qū)域的區(qū)域網(wǎng)，

并建立了集中控制站，對(duì)區(qū)域干線的信息進(jìn)行收集并集中管理。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)

程中，為保證實(shí)際信號(hào)的傳輸質(zhì)量，需要使用異或中繼技術(shù)并保證兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間

的距離不小于100km，以避免單光子信號(hào)在傳出過(guò)程中存在較大的損失。

2.2鐵路干線調(diào)度網(wǎng)應(yīng)用量子保密通信

通過(guò)上文分析可知，鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)采用的是星型環(huán)型結(jié)構(gòu)，為保證鐵路

干線的量子保密通信能夠得打良好的應(yīng)用，需要建立備份節(jié)點(diǎn)，且通常情況下，

每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要含有1套業(yè)務(wù)加密設(shè)備和QKD設(shè)備。在量子信號(hào)與同步信號(hào)傳輸

的過(guò)程中，需要利用合波器實(shí)現(xiàn)與OTN系統(tǒng)中信號(hào)的共纖傳輸，密鑰協(xié)商可直接

利用OSC信道進(jìn)行傳輸，同時(shí)，量子密鑰分發(fā)設(shè)備向OTN設(shè)備提供量子密鑰時(shí)，

能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)信息的自動(dòng)加密。

結(jié)論：綜上所述，在鐵路通信系統(tǒng)是鐵路交通的重要組成部分，是保證鐵路

交通能夠正常、穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，其能夠?qū)崿F(xiàn)將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為單光子，并促使

單光子在特定的信道內(nèi)傳遞，以保證信息傳遞的可靠性。在鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)中，

最常用的量子通信技術(shù)為量子密鑰分發(fā)技術(shù)和異或中繼技術(shù)，主要應(yīng)用于骨干網(wǎng)

和鐵路干線的調(diào)度中。

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