一种基于量子保密通信的高速铁路调度通信系统的制作方法

1.本实用新型涉及量子通信领域，尤其涉及一种基于量子保密通信的高速铁路调度通信系统。


背景技术：

2.国内首条高铁京津城际铁路，京津城际铁路开建于2005年，2008年8月正式运营。高铁极大地缩短了城市之间的通行时间，原本需要十多个小时的距离现在只需要几个小时即可以到达。尤其是京沪高铁的开通，极大地方便了沿线城市的居民出行往来，也拉动了沿线城市的经济发展，高铁站已经成为了新的城市名片。
3.按照国际通行规定，新建铁路运行时速达到250公里的即可以称为高速铁路。目前在京沪高铁中，我国自主研发的复兴号动车组列车可以达到350公里的运行速度。目前我国高铁运营里程已经达到3.8万公里，在2017年时就已经达到每日开行列车4500多列、每日发送旅客400多万人，高铁方便了千万人的出行，高铁也关系这千万人的出行安全。
4.目前的高速铁路通信系统主要包括有关行车安全的通信系统、设备维修及运营管理用的通信系统以及为旅客服务的通信系统。有关行车安全的通信系统主要包括列车自动控制用通信、沿线电话、列车运转调度电话、列车调度集中系统用通信、传真电报、车站运转调度电话、防护无线、站内无线电话及站间行车专用电话；设备维修及运营管理用的通信系统包括移动无线电话、无线呼叫和直通专用电话；为旅客服务的通信系统则包括客票预售通信、车长列车电话、客运调度电话、传真电报和列车公用电话。目前高速铁路的核心系统是ctcs
‑
3级列控系统(chinese train control system，ctcs)，ctcs
‑
3级系统主要通过gsm
‑
r(global system for mobile communications
‑
railway)传输信号。
5.高速铁路的信号调度对于列车平稳运行具有极为关键的作用，但是随着量子信息技术的发展，现有的通信架构下所传输的信号数据有被非法窃取的可能，尤其是公钥体制下加密数据可能无法抵抗未来量子计算机的破解。一旦高速铁路的调度信号被非法破解，极可能会对高速列车的运行造成难以预料的影响，列车的安全运行将无法得到保障。
6.因此如何有效的提升高速铁路调度通信系统的安全通信等级、尤其是如何应对未来的量子计算机对高铁调度通信系统的安全威胁是本领域技术人员需要应对的难题。
7.现有公开文件基于高铁通信系统存在问题及解决方案研究，作者王永柱，建筑工程技术与设计，2016年5月，第3337页和第3345页，其公开了针对高速铁路建立专用通信网络，并采用全新的通信技术进行专线覆盖。现有公开文件论高速铁路调度通信系统，作者杨子俊，万方数据交通与信息化，2017年9月，其公开了高速铁道通信系统各子系统包括：传输系统、电话交换及接入系统、数据通信系统、专用移动通信系统、调度通信系统、会议电视系统、应急通信系统、综合网管系统、时钟及时间同步系统、通信电源、电源及环境监控系统、综合视频监控系统、通信防雷等系统。高速铁路调度系统是高铁通信系统核心之一。高铁通信系统有三方面的作用：第一个方面，为高铁客专列车控制系统、安全保障系统、客票及旅客服务系统、办公自动化系统、防灾及安防系统等，提供业务传送及组网通道；第二个方面，
为高铁客专提供有线、无线一体化的移动调度指挥通信平台及运营维护公务联络通信手段。
8.目前量子信息技术正在飞速的发展之中，国内多个城市都在布局建设相应的量子通信网络，量子信息技术基于量子力学基本原理，可以实现理论上无条件的安全性，可以有效应对未来量子计算机的挑战，因而具有重大的现实意义。目前的量子通信主要以量子保密通信(qkd)为代表，量子保密通信技术也是目前最为成熟的量子通信技术。qkd量子保密通信一般需要配对使用的发送端和接收端，发送端负责调制量子态并将量子信号通过光纤等量子信道发送给接收端；接收端主要为含有单光子探测器的检测单元，可以检测出接收到的量子态的状态，然后双方通过经典信道进行协商、纠错和隐私放大即可以获得安全的量子密钥。
9.中国专利cn 1977488a，公开了一种qkd系统网络，包括第一qkd台站(al)和第二qkd台站(a2)以及设置千它们之间的中继站。中继站包括一个第三qkd台站(b)和光学开关。光学开关允许第三qkd台站轮流与第一和第二qkd台站通信以便在第一和第二qkd台站之间建立公用密钥。最终用户分别与qkd台站al和a2耦合。秘密密钥(s)通过qkd台站b在pl和p2之间共享，qkd台站b可以独立地与al和a2形成密钥。由pl
‑
al
‑
b
‑
a2
‑
p2代表的基本系统可以扩展为更复杂的线性网络如pl
‑
al
‑
bl
‑
a2
‑
b2
‑
p2，其中bl和a2构成中继，进而实现发送方向接收方的量子保密通信。


技术实现要素：

10.实用新型目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种基于量子保密通信的高速铁路调度通信系统，能够有效的防止量子计算机的破解。
11.技术方案：为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：
12.一种基于量子保密通信的高速铁路调度通信系统，包括站点、量子卫星、量子卫星地面站、列车、量子密钥管理服务器以及qkd网络，其中：
13.所述量子卫星设置有qkd模块一，所述量子密钥管理服务器接入qkd网络。
14.所述站点包括fas子系统、qkd模块二、调度台及调度电话，各个站点的fas子系统通信连接，各个站点的qkd模块二通过光纤连接构成量子信道，所述qkd模块二、fas子系统、调度台及调度电话通信依次通信连接，所述qkd模块二接入qkd网络。
15.量子卫星地面站包括qkd模块三及望远镜模块，望远镜模块用于和量子卫星进行对准，让量子卫星地面站和量子卫星进行量子光信号的收发传输，所述qkd模块三与望远镜模块通信连接，所述qkd模块三接入qkd网络。
16.所述列车包括列车控制台、qkd模块四、量子卫星收发单元及无线收发单元，列车控制台分别与qkd模块四、无线收发单元连接，qkd模块四通过量子卫星收发单元与量子卫星进行量子光信号的收发传输。所述无线收发单元和无线基站bst通信连接，所述量子密钥管理服务器与无线基站bst通信连接。
17.优选的：所述站点内设有量子卫星收发单元，所述量子卫星收发单元与量子卫星通信连接。
18.优选的：所述站点为调度站或车站。
19.优选的：所述列车为高速铁路列车、快速铁路列车或普速铁路列车。
20.优选的：所述qkd网络为城域qkd网络或为铁路qkd网络。
21.本实用新型相比现有技术，具有以下有益效果：
22.1.本技术通过量子通信技术对相关信息(调度指令)进行量子保密通信，有效的防止量子计算机的破解。
23.2.本技术各个站点的qkd模块二分别接入各自城市的城域qkd网络，可以无须在铁路轨道沿线铺设专用的铁路qkd网络，这样即可以实现各个站点之间的qkd保密通信。
24.3.本技术引入量子卫星，对于行驶中的列车无法通过有线光纤的方式进行量子通信，只能通过量子卫星进行自由空间量子通信；列车和量子卫星建立量子信道进行量子态的传送，另一方面地面的基站和列车之间建立经典信道进行双方之间的协商、纠错及隐私放大，这样通过量子卫星和地面无线基站的配合实现调度站和列车之间的量子保密通信。
附图说明
25.图1为本技术基于量子保密通信的高速铁路调度通信系统的量子信道示意图；
26.图2为本技术调度台和列车之间的量子保密通信的示意图；
27.图3为本技术调度通信系统经典通信及地面量子信道整体示意图；
28.图4为本技术高速铁路调度通信系统的量子信道示意图。
具体实施方式
29.下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本实用新型，应理解这些实例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落于本技术所附权利要求所限定的范围。
30.一种基于量子保密通信的高速铁路调度通信系统，如图1所示，包括站点、量子卫星、量子卫星地面站、列车、量子密钥管理服务器以及qkd网络，其中：
31.所述量子卫星设置有qkd模块一，能够和地面的量子卫星地面站进行量子保密通信，量子卫星也可以和列车进行自由空间量子保密通信，即量子卫星和量子卫星地面站及列车之间均能够进行量子密钥协商，所述量子密钥管理服务器接入qkd网络。
32.站点一般为调度站或高铁车站，所述站点包括fas子系统、qkd模块二、调度台及调度电话等，各个站点的fas子系统通信连接(fixed users access switching,fas)，各个站点的qkd模块二通过光纤连接构成量子信道，所述qkd模块二、fas子系统、调度台及调度电话通信依次通信连接，所述qkd模块二接入qkd网络。所述的qkd模块二一般通过光纤连接构成量子信道，各个站点的qkd模块二分别接入所在区域的城域qkd网络，这样相互连接的qkd模块二之间即可以进行量子保密通信。
33.量子卫星地面站包括qkd模块三及望远镜模块，望远镜模块用于和量子卫星进行对准，让量子卫星地面站和量子卫星进行量子光信号的收发传输，所述qkd模块三与望远镜模块通信连接，所述qkd模块三通过光纤量子信号接入qkd网络和量子密钥管理服务器连接。量子密钥管理服务器可以对量子通信进行管理。量子卫星地面站内的qkd模块三可以和站点内的qkd模块二进行量子保密通信。
34.列车为高速铁路列车、快速铁路列车或普速铁路列车。所述列车包括列车控制台、qkd模块四、量子卫星收发单元及无线收发单元，列车控制台分别与qkd模块四、无线收发单
元连接，qkd模块四通过量子卫星收发单元与量子卫星进行量子光信号的收发传输。所述无线收发单元和无线基站bst通信连接，所述量子密钥管理服务器与无线基站bst通信连接。qkd模块四连接量子卫星收发单元后即可以实现和量子卫星之间的量子光信号的收发传输。
35.如图2所示，车站调度站和列车之间的保密调度通信示意图，当调度站需要向列车发出调度指令，首先由量子密钥管理服务器根据路径规划出具体的量子信道通路，一般的量子信道为调度站qkd
‑
量子卫星地面站
‑
量子卫星
‑
列车qkd，即量子信道为qkd模块二—qkd模块三—qkd模块一—qkd模块四，然后该量子信道按照量子保密通信的方式协商出量子密钥，最终调度站和列车之间获得共享的量子密钥，然后双方利用该共享量子密钥进行保密通信，即调度站使用该量子密钥加密待发送的调度指令通过经典通信的方式发送到列车，一般是通过无线基站bst发送给列车上的无线收发单元，列车操控台可以根据量子密钥解密出所接收到的调度指令。
36.如图3所示为本实施例系统的经典通信部分，其中，nss单元负责端到端呼叫、用户管理、移动性管理及固定网络的连接(network switching system,nss)；bsc为基站控制器(base station controller,bsc)，主要负责无线网络的运行及维护，bst即无线基站(base transceiver station,bts)，负责无线信号的收发；gprs单元(general packet radio service，gprs)为无线用户提供分组数据承载业务，比如列车和站点调度台信息互通即通过该单元；fas为固定用户接入交换机，负责接入调度子系统的相关设备。gprs单元连接bsc，bsc连接多个数量的无线基站bst，无线基站bst沿高速铁路沿线设置，负责和列车进行无线通信，另外gprs单元还和外界因特网及铁路信息系统连接，可以接收来自铁路信息系统的其他信息。nss单元和外部铁路电话网及公共电话网连接，可以让本线路和其他线路调度中心的调度电话进行连接，nss单元和本线路的调度台或车站的fas连接，构成本线路的调度子系统，fas直接连接调度台或车站台及本台的调度电话，nss单元还分别和gprs单元及bsc连接，每个fas还和本站台的qkd连接，这样和qkd网络中的其他节点即可以实现量子通信。
37.如图4所示为本实施例的一种变形，所述站点内设有量子卫星收发单元，所述量子卫星收发单元与量子卫星通信连接，这样站点的调度站即可以直接通过量子卫星和行驶中的高速列车进行量子保密通信，其建立的量子信道为调度站qkd
‑
量子卫星收发单元
‑
量子卫星
‑
列车量子卫星收发单元
‑
列车qkd，即量子信道为qkd模块二—量子卫星收发单元—qkd模块一—列车量子卫星收发单元—qkd模块四，中间省略了调度站到量子卫星地面站之间的量子信道，当需要进行调度通信时，首先调度站发出指令，调度站所属的qkd调制出量子信号通过量子卫星收发单元发射到量子卫星，量子卫星接收后检测出量子信号的状态，量子卫星和量子卫星收发单元之间可以进行经典的卫星通信，双方即可以通过卫星通信的方式进行后处理得到量子密钥，同样的量子卫星和行驶中的列车之间也可以获得相应的量子密钥，发送调度指令的一方利用和量子卫星协商出的量子密钥加密信息然后通过经典通信的方式将信息发送给接收方，量子卫星将和双方协商出的量子密钥异或加密后发送给接收调度指令的一方，然后调度指令接收方即可以利用该密钥及自身拥有的量子密钥解密出发送方发送的调度指令，以此实现双方之间调度指令的保密通信。
38.以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技
术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。