Giải pháp phân phối khóa lượng tử không dây lai ghép FSO và MMW

 kênh có tầm nhìn thẳng LOS. Do vậy, liên Tốc độ khóa bí mật Egodic, kí hiệu là S, cho biết mức 
kết vô tuyến này chỉ chịu ảnh hưởng của suy hao. Kết quả độ bảo mật của hệ thống đề xuất. Tốc độ khóa bí mật 
là, hệ số kênh của kênh vô tuyến được tính như sau: được định nghĩa là tốc độ truyền dẫn tối đa mà Eva không 
 thể giải mã bất kỳ thông tin nào, được tính như sau: 
 Phạm Anh Thư, Đặng Thế Ngọc 
 SIABIAE=−( ;;) ( )  (17) thu 
 Hệ số cấu trúc chỉ số khúc xạ 2 10-15m-2/3 
 Cn 
trong đó, I(A;B) và I(A;E) là lượng thông tin chia sẻ giữa 
 Đáp ứng của APD  0,6 A/W 
Alice và Bob, và giữa Alice và Eve tương ứng. Với giả 
 Tỉ lệ hệ số i-ôn hóa kA 0,7 
thiết rằng xác suất truyền bit “0” và “1” là xảy ra bằng Hệ số suy hao a 0.1 km-1 
nhau, thông tin chia sẻ giữa Alice và Bob có thể được tính L
 Bán kính chùm quang tại 1 2 m 
như sau [25]: z 
 km 
 Phương sai dao động  10 cm 
 I( A; B) = p log22( p) +( 1 − p − q) log( 1 − p − q) s
  (18) Bán kính thu 2a 20 cm 
 −(1 −q) log2 ( 1 − q) + 1 − q Các tham số RF 
trong đó, p = P (0,0) = P (1,1) and q = P (0,x) = Tần số sóng mang fc 28 GHz 
 A,B A,B A,B Băng thông B 500 MHz 
P (1,x) = 0.5 - P (0,0) - P (0,1). 
 A,B A,B A,B Hệ số suy hao  4 dB/km 
 Thông tin chung giữa Alice và Eve có thể tính bằng 
 Hệ số khuếch đại anten phát GTX 15 dB 
[25]: Hệ số khuếch đại anten thu GRX 25 dB 
 Trước tiên, việc thiết kế bộ thu của Bob được xem xét. 
 I( A; E) = 1 + pe log22( p e) +( 1 − p e) log( 1 − p e )  (19) 
 Tại đây, QBER và Psift được điều khiển để đáp ứng các 
trong đó, pe là xác suất mà Eve phát hiện đúng các bit mục tiêu yêu cầu. Cụ thể là, Psift nên lớn hơn hoặc bằng 
 -2
được truyền đi từ Alice, có thể được tính là pe = 0.5 – PA,E 10 để Bob có thể nhận được khóa từ Alice với tốc độ 
(0,1) = 0.5 – PA,E (1,0). Ngoài ra, xác suất lỗi của Eve Mbps khi tốc độ truyền dẫn đạt đến Gbps. Ngoài ra, 
được tính như sau: QBER được giữ thấp hơn hoặc bằng 10-3 để lỗi bit có thể 
 được khôi phục nhờ các mã sửa lỗi. Trong Hình 5, QBER 
 QBEREve=+PP A,, E( 0,1) A E ( 1,0)  (20) được khảo sát phụ thuộc vào hệ số hai ngưỡng khi công 
 suất phát quang Pp = 0 dBm, hệ số nhân của APD MA = 5, 
trong đó, PA,E(0,1) và PA,E(1,0) là xác suất lỗi mà Eve 
quyết định sai bit nhận được từ Alice. Giả sử rằng Eve sử khoảng cách liên kết FSO L = 3 km, và khoảng cách liên 
dụng tách sóng đơn ngưỡng, đây là mô hình tách sóng kết vô tuyến d = 500 m. Để đáp ứng được các mục tiêu 
thường dung cho máy thu quang. Xác suất lỗi có thể được trên, hệ số ngưỡng nên nằm trong dải 3.7 và 4.5. 
tính như sau [23]: 
 1 diE − 0
 PPPAEA, (0,1) ==( 0) ( 1 0) erfc 
 EA 4  2
 n  (21) 
 1 id−
 PPP1,0== 1 0 1 erfc 1 E
 AEA, ( ) ( ) EA( ) 
 4 n 2
trong đó dE = 0 là ngưỡng tách sóng tại bộ thu của Eve 
(như Hình 4). 
IV. KẾT QUẢ KHẢO SÁT HIỆU NĂNG 
 Trong phần này, các kết quả khảo sát hiệu năng sẽ 
được trình bày dựa trên các công thức giải tích trong phần 
trên. QBER tại bộ thu của Bob và của Eve được xem xét 
phụ thuộc vào rất nhiều tham số của hệ thống như hệ số k, Hình 5. QBER và Psift tại phía Bob phụ thuộc vào hệ 
công suất phát quang (Pp). Ngoài ra, tốc độ khóa bí mật số ngưỡng khi Pp = 0 dBm, L = 3 km, và dAB = 500 m. 
cũng được xem xét. Các tham số và hằng số được liệt kê 
trong Bảng 1. 
 Bảng 1. Tham số hệ thống và hằng số 
 Tên tham số, Ký Giá trị 
 hằng số hiệu 
 Các tham số và hằng số chung 
 Hằng số Boltzmann K 1.38 10-23 WHz-
 1K-1 
 Điện tích điện tử q 1.6 10-19 C 
 Vận tốc ánh sáng c 3 108 m/s 
 Nhiệt độ Kenvin T 300 K 
 Bước sóng  1550 nm 
 Hệ số tạp âm Fn 5 dB 
 Các tham số kênh FSO 
 Tốc độ bit Rb 1 Gbps 
 Hệ số khuếch đại thấu kính CS 10 dB 
 GTX
 phát 
 Hình 6. QBER tại phía Bob phụ thuộc vào khoảng cách 
 Hệ số khuếch đại thấu kính BS 10 dB 
 GRX liên kết FSO, L khi Pp = 0 dBm, k = 4, và d = 500 m. 
GIẢI PHÁP PHÂN PHỐI KHÓA LƯỢNG TỬ KHÔNG DÂY LAI GHÉP FSO VÀ MMW 
 Khoảng cách liên kết FSO cũng là một tham số cần 
khảo sát khi thiết kế hệ thống vì tham số này ảnh hưởng 
lớn đến hiệu năng hệ thống. Trong Hình 6, tỉ lệ lỗi bit 
lượng tử được khảo sát phụ thuộc vào khoảng cách liên 
kết FSO và hệ số nhân của bộ tách quang APD trong 
trường hợp công suất phát quang ở CS là 0 dBm, khoảng 
cách vô tuyến là 500 m và hệ số ngưỡng bằng 4 (nằm 
trong dải khảo sát ở kết quả trên). Như chỉ ra trong Hình 
6, khoảng cách liên kết FSO bị giới hạn để đạt được 
QBER nhỏ hơn hoặc bằng 10-3. Tuy nhiên, khi hệ số 
khuếch đại của APD tăng, khoảng cách liên kết FSO được 
cải thiện đáng kể. Cụ thể là, khi tăng hệ số nhân của APD 
từ 5 lên thành 10, khoảng cách liên kết FSO được kéo dài 
thêm 1000 m. Hơn nữa, nếu sử dụng bộ thu là PD (MA = 
1) thì khoảng cách này bị giới hạn nhỏ hơn 1500 m để đạt 
được mục tiêu thiết kế. 
 Tiếp theo, tốc độ khóa chọn lọc (Rs) được khảo sát. Tốc 
 Hình 8. QBER tại Eve phụ thuộc vào công suất phát, khi 
độ khóa chọn lọc Rs được tính là Rs = PsiftRb với Rb là tốc 
độ bit của hệ thống. Hình 7 mô tả tốc độ khóa chọn lọc L = 3 km và d = 500 m. 
biến thiên theo công suất phát quang khi MA = 5, L = 3 Trong Hình 8, QBER của Eve được khảo sát phụ thuộc 
km, và d = 500 m. Ba giá trị của hệ số ngưỡng được xem vào công suất phát quang khi k = 4, L = 3 km, d = 500 m 
xét bao gồm k = {4; 6; 8}. Tốc độ khóa chọn lọc tối đa có và khoảng cách giữa Eve và BS, dE nhận ba giá trị {500 
thể đạt được là 500 Mbps, chiếm 50% tốc độ bit của hệ m, 1000 m, 1500 m}. Rõ ràng rằng, để QBER được giữ 
thống. Do lỗi bit gây ra bởi các tham số lớp vật lý, xác thấp hơn hoặc bằng 10-3 để lỗi bit có thể được khôi phục 
suất chọn lọc có thể xuống dưới 50% và do đó tốc độ nhờ các mã sửa lỗi tại Eve, Eve có thể bắt được khóa, 
khóa chọn lọc nhỏ hơn 500 Mbps. Để tăng tốc độ khóa công suất phát phải tăng lên khi khoảng cách từ Eve đến 
chọn lọc, công suất phát quang phải tăng hoặc hệ số BS tăng lên. Tuy nhiên, khi khoảng cách này là quá xa, ví 
ngưỡng phải giảm. Ta có thể thấy rằng trường hợp k = 4 dụ dE = 1500 m, công suất quang phát phải rất cao (lớn 
cho tốc độ khóa chọn lọc cao nhất khi so ở cùng mức hơn 10 dBm) thì Eve mới đạt được mục tiêu. Như vậy, 
công suất phát ví dụ như 3 dBm. Điều này phù hợp với công suất phát quang của hệ thống có thể được điều chỉnh 
kết luận khi khảo sát ở Hình 5, hệ thống cho hiệu năng tốt ở mức nhỏ để Eve không thể thu được khóa với tỉ lệ lỗi 
nhất khi k nằm trong khoảng từ 3.7 đến 4.5. bit lượng tử nhỏ hơn 10-3. 
 Một tham số hiệu năng nữa của hệ thống cần được 
 khảo sát đó là tốc độ khóa bí mật ergodic. Trong Hình 9, 
 tốc độ khóa bí mật được khảo sát phụ thuộc vào công suất 
 phát quang khi k = 4, L = 3 km, d = 500 m và khoảng 
 cách giữa Alice và Eve nhận hai giá trị là 1000 m và 1500 
 m. Nhận thấy rằng tốc độ khóa bí mật ergodic tăng khi 
 công suất phát tăng. Do vậy, để đạt được tốc độ khóa bí 
 mật cao thì công suất phát quang phải ở mức cao. Tuy 
 nhiên, khi công suất phát quang cao thì khả năng Eve có 
 QBER thấp và do đó khả năng sửa lỗi của Eve là lớn. Như 
 vậy, khi thiết kế cần phải lựa chọn công suất phát quang 
 sao cho đạt được tốc độ khóa bí mật cao mà Eve không 
 thể sửa lỗi được khóa nhận được. 
Hình 7. Tốc độ khóa chọn lọc phụ thuộc vào công suất 
phát khi L = 3 km, d = 500 m, MA = 5. 
 Hình 9. Tốc độ khóa bí mật Ergodic phụ thuộc vào công 
 suất phát khi k = 4, L = 3 km, d = 500 m. 
 Phạm Anh Thư, Đặng Thế Ngọc 
V. KẾT LUẬN [13] M. Gabbi and S. Arnon, “Quantum key distribution by free 
 space MIMO system,” IEEE/OSA J. Lightw. Technol., vol. 
 Bài báo đã đề xuất giải pháp phân phối khóa lượng tử 24, no. 8, pp. 3114–3140, Aug. 2006. 
không dây lai ghép FSO và MMW sử dụng điều chế [14] H. V. Nguyen et al., “Network Coding Aided Cooperative 
cường độ sóng mang con với tín hiệu BPSK và bộ thu Quantum Key Distribution Over Free-Space Optical 
tách sóng hai ngưỡng. Các mô hình giải tích cho các phân Channels,” IEEE Access, vol. 5, pp. 12301–12317, 2017. 
tích bảo mật của hệ thống đề xuất được xây dựng. Tỉ lệ lỗi [15] P. V. Trinh and A. T. Pham, “Design and secrecy 
bit lượng tử, tốc độ khóa chọn lọc và tốc độ khóa bí mật performance of novel two-way free-space QKD protocol 
biến thiên theo các tham số lớp vật lý được xem xét. Các using standard FSO systems,” 2017 IEEE ICC, Paris, 2017, 
kết quả khảo sát hiệu năng chứng tỏ rằng hệ thống đề xuất pp. 1–6. 
có thể đạt được các mục tiêu bảo mật mong muốn bao [16] Nauerth, S. et al. “Air-to-ground quantum communication,” 
 -3 Nat. Photonics, vol. 7, pp. 382–386, 2013. 
gồm QBER nhỏ hơn 10 và tốc độ khóa chọn lọc đạt [17] Scheidl, T. et al:, “Quantum optics experiments using the 
được tại tốc độ Mbps. Ngoài ra, tốc độ khóa bí mật International Space Station: a proposal,” New. J. Phys., vol. 
ergodic có khả năng đạt được tối đa đến 0.5 (bit/s/Hz). 15, 043008, 2013. 
Các kết quả cho thấy hệ thống QKD không dây lai ghép là [18] R. Bedington et al:, “Progress in satellite quantum key 
giải pháp hiệu quả để phân phối khóa lượng tử tới các distribution,” npj Quantum Information, vol. 3, no. 30, 
thiết bị di động. 2017. 
 [19] M. Safari and M. Uysal, “Relay-Assisted Quantum-Key 
 TÀI LIỆU THAM KHẢO Distribution Over Long Atmospheric Channels,” 
 IEEE/OSA J. Lightw. Technol., vol. 27, no. 20, pp. 4508–
[1] A. I. Nurhadi and N. R. Syambas, “Quantum Key 
 4515, Oct.15, 2009. 
 Distribution (QKD) Protocols: A Survey,” Proc. of the 4th 
 [20] Minh Q. Vu, Ngoc T. Dang, Anh T. Pham, “HAP-Aided 
 International Conference on Wireless and Telematics 
 Relaying Satellite FSO/QKD Systems for Secure Vehicular 
 (ICWT), Nusa Dua, 2018, pp. 1–5. 
 Networks”, 2019 IEEE 89th Vehicular Technology 
[2] C. H. Bennett and G. Brassard, “Quantum Cryptography: 
 Conference (VTC2019-Spring), Kuala Lumpur, 2019. 
 Public Key Distribution and Coin Tossing,” Proc. of the 
 [21] G. Agrawal 2010. Fiber-optic Communication Systems (4th 
 IEEE International Conference on Computers, Systems, 
 edition). John Wiley and Sons Ltd., New York, USA. 
 and Signal Processing, Bangalore, India, 1984, pp. 175–
 [22] H. Hemmati, Near-earth laser communications, CRC 
 179. 
 Press, 2009. 
[3] H. P. Yuen,” Security of Quantum Key Distribution,” IEEE 
 [23] B.E.A. Saleh and M.C. Teich, Fundamentals of Photonics, 
 Access, vol. 4, pp. 724–749, 2016. 
 NewYork: Wiley, 1991. 
[4] A.K. Ekert, “Quantum Cryptography based on Bell’s 
 [24] 3GPP TR 38.811, “Study on new radio (NR) to support 
 Theorem,” Phys. Rev. Lett., vol. 67, no. 6, pp. 661–663, 
 non-terrestrial networks,” v1.0.0, 2018 
 1991. 
 [25] Takuya Ikuta and Kyo Inoue, “Intensity modulation and 
[5] F. Grosshans and P. Grangier, “Continuous Variable 
 direct detection quantum key distribution 
 Quantum Cryptography using Coherent States,” Phys. Rev. 
 based on quantum noise”, new journal of physics, 2015. 
 Lett., vol. 77, no. 2, pp. 513–577, 2002. 
 [26] O. Simeone, I. Stanojev, S. Savazzi, Y. Bar-Ness, U. 
[6] Q. Xuan, Z. Zhang, and P. Voss, “A 24 km Fiber-based 
 Spagnolini, and R. Pickholtz, “Spectrum leasing to 
 Discretely Signaled Continuous Variable Quantum Key 
 cooperating secondary ad hoc networks,” IEEE Journal on 
 Distribution Systems,” Opt. Express, vol. 17, no. 26, pp. 
 Selected Areas in Communication, vol. 26, no. 1, pp. 203-
 24244–24249, 2009. 
 213, Jan. 2008. 
[7] Shimizu Kea, “Performance of Long-distance Quantum 
 Key Distribution over 90-km Optical Links Installed in a 
 Field Environment of Tokyo Metropolitan area,” IEEE J. A SOLUTION OF QUANTUM KEY 
 Lightw. Technol., vol. 31, no. 1, pp. 141–151, 2016. DISTRIBUTION OVER HYBRID WIRELESS 
[8] P. V. Trinh and A. T. Pham, “Design and Secrecy 
 Performance of Novel Two-way Free-space QKD Protocol SYSTEM USING FSO AND MMW 
 using Standard FSO Systems,” IEEE International 
 Conference on Communications (ICC), Paris, France, 2017, Abstract - In this paper, we propose a solution of quantum 
 pp. 1–6. key distribution over hybrid wireless system using FSO and 
[9] P. V. Trinh, T. V. Pham, N. T. Dang, H. V. Nguyen, S. X. MMW. Quantum keys from the sender (Alice) are transmitted 
 Ng and A. T. Pham, “Design and Security Analysis of via the FSO channel to the base station (BS) and then forwarded 
 Quantum Key Distribution Protocol Over Free-Space to mobile stations (Bob) via radio channel. The QKD protocol is 
 Optics Using Dual-Threshold Direct-Detection Receiver,” implemented based on the subcarrier intensive modulation 
 IEEE Access, vol. 6, pp. 4159–4175, 2018. (SIM) using binary phase shift key (BPSK) for encoding and the 
[10] S. Nauerth, F. Moll, M. Rau, C. Fuchs, J. Horwath, S. dual-threshold receiver for decoding. The performance of 
 Frick, and H Weinfurter, “Air-to-Ground Quantum proposed QKD system in terms of the quantum bit-error rate 
 Communication,” Nature Photonics, vol. 7, pp. 382–386, (QBER) is analyzed under the influence of physical layer 
 2013. parameters coming from the receiver, FSO channel and MMW 
[11] R. Bedington, J. M. Arrazola, and A. Ling, “Progress in radio channel. The numerical results confirm the feasibility of 
 Satellite Quantum Key Distribution,” npj Quantum the proposed QKD system. 
 Information, vol. 3, no. 30, pp. 1–13, 2017. 
[12] M. A. Khalighi and M. Uysal, “Survey on Free Space Key words - Quantum key distribution (QKD), Free-space 
 Optical Communication: A Communication Theory Optics (FSO), Subcarrier intensive modulation (SIM), Quantum 
 Perspective,” IEEE communications Surveys & Tutorials, bit-error rate (QBER). 
 vol. 16, no. 4, pp. 2231–2258, June 2014. 
GIẢI PHÁP PHÂN PHỐI KHÓA LƯỢNG TỬ KHÔNG DÂY LAI GHÉP FSO VÀ MMW 
 Phạm Anh Thư tốt nghiệp đại học 
 tại Học viện công nghệ Bưu chính 
 Viễn thông (PTIT) năm 2003 và tốt 
 nghiệp thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật 
 Viễn thông tại Học viện công nghệ 
 Hoàng gia Melbourne (RMIT), 
 Australia năm 2008. Năm 2019, cô 
 đã nhận bằng Tiến sĩ chuyên ngành 
kỹ thuật viễn thông tại Học viện công nghệ Bưu chính 
Viễn thông. Hiện nay cô là giảng viên tại khoa Viễn 
thông 1, Học viện công nghệ Bưu chính Viễn thông. 
Lĩnh vực nghiên cứu bao gồm kĩ thuật mạng, truyền 
song vô tuyến qua sợi quang, mạng băng rộng và an 
ninh mạng. 
 Đặng Thế Ngọc tốt nghiệp đại học 
 tại Đại học Bách Khoa Hà Nội năm 
 1999, và tốt nghiệp thạc sĩ tại Học 
 viện công nghệ Bưu chính Viễn 
 thông vào năm 2005. Anh nhận bằng 
 Tiến sĩ chuyên ngành kĩ thuật và 
 khoa học máy tính tại đại học Aizu 
 Nhật Bản năm 2010. Hiện nay anh là 
phó giáo sư giữ chức vụ Trưởng Bộ môn Thông tin vô 
tuyến thuộc Khoa Viễn thông 1, Học viện công nghệ Bưu 
chính Viễn thông. TS. Ngọc từng làm nghiên cứu viên 
mời tại Đại học Rennes 1 (CH Pháp) và Đại học Aizu 
(Nhật Bản). Lĩnh vực nghiên cứu của anh gồm liên quan 
đến lý thuyết truyền thông đặc biệt về mô hình, thiết kế, 
và đánh giá hiệu năng của các hệ thống truyền thông 
quang không dây, RoF, CDMA quang và phân phối khóa 
lượng tử.