仿雁群阵列量子空中通信组网构建策略

摘要

量子卫星通信是量子通信领域的研究热点和前沿,具有覆盖面广、通信效率高和安全性强的特点.量子通信组网的构建策略是量子通信的重要组成部分,然而,有关量子空中通信组网构建策略的研究,迄今尚未展开.本文采用仿生学原理,根据雁群空中飞行阵列的特点,提出了一种仿雁群Λ型量子空中通信组网拓扑结构,该结构可分为单头节点Λ型和多头节点Λ型.基于Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ)态的可认证QSDC网间通信系统和GHZ-EPR (Einstein-Podolsky-Rosen)量子卫星组网隐形传态通信系统,对该Λ型量子空中通信组网结构的误码率、能耗、吞吐率等参数进行了研究.理论分析和仿真结果表明,仿雁群单头节点Λ型组网结构,在噪声平均功率谱密度为2 dB/m的环境中,当网中头节点与子节点的通信距离小于400 m时,误码率小于0.094;若头节点与子节点的通信距离由400 m增大到1000 m时,误码率增长较快,达到0.585;当单侧子节点数由2增加到7时,吞吐率由110.6 kb/s下降到46.45 kb/s.以总节点数21为例,单头节点Λ型组网结构可节省32.6%的能量,吞吐率下降到23.9 kb/s.相比之下,总节点数为21的多头节点Λ型组网结构,可节省29.3%的能量,吞吐率达到163.4 kb/s.由此可见,采用仿雁群阵列结构的量子空中组网,具有很好的网络可扩展性、优良的信息安全性和灵活的网络结构.