基于量子安全的电力通信网资源管理技术研究

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随着新能源出行、物联网、智能家居、智能电网等概念和技术逐步落地,接入用户数量迅速增长,网络边界日益模糊,电力通信网的通信安全威胁日益增大,迫切需要先进的加密技术保障信息通信安全。由量子力学的三条基本物理定律可知,量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)和“一次一密”技术相结合可以在理论上实现两个用户之间的远程信息安全传输。因此,将QKD与现有的电力通信网融合组网,能够更好地保障现有电力业务传输的安全,是未来电力通信网发展的一个重要方向。利用共纤传输技术(即量子信号与电力通信光信号在同一根光纤中传输)在电力通信网中部署QKD技术时,需要考虑电力通信光信号与量子信号的资源竞争问题,在电力业务的可靠性和安全密钥生成率(Secure Key Rate,SKR)两者之间取得平衡。本文聚焦于QKD技术与不同电力通信网融合组网过程中的资源管理技术,结合不同的电力通信网场景,分别提出了相对应的资源管理方案。具体创新性工作如下:第一,提出了一种量子安全配电通信网络中噪声抑制的自适应功率控制方案。在量子安全配电通信网中,基于网络流量数据的潮汐特征和量子密钥池的管理能力,本文设计了一种TWDM-PON(Time Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Networks)网络架构以及自适应功率控制方案,有效地减少噪声对量子信号的干扰。自适应功率控制方案在确保电力通信光信号被接收机无误码接收的前提下,根据量子密钥池的密钥资源情况动态调整电力通信光信号的发射功率,从而降低对量子信号的噪声干扰,提高安全密钥生成率,达成共同优化电力业务的可靠性和安全密钥生成率的目标,使得密钥资源短缺时提高安全密钥生成率,充足时优先提升电力业务的可靠性。结果表明自适应功率控制方案相比最小功率控制方案和无功率控制方案,能够有效地降低密钥池中密钥资源耗尽或溢出的概率,将密钥资源维持在一个安全可用的水平。与此同时,电力业务的可靠性没有降低,该方案在集中采集模式和随机补采模式两种数据采集模式下的平均Q因子分别比最小功率控制方案至少提升了 14.58%和 196.4%。第二,提出了一种量子安全电力数据中心网络中流量感知的业务重构方案。在量子安全电力数据中心网络场景中,基于网络流量数据的重尾分布特征,本文设计了一种量子安全电力数据中心网络中流量感知的业务重构方案,旨在减少业务重构对电力业务影响的同时提高网络的安全密钥生成率。首先,该方案使用机器学习算法预测网络的流量数据趋势,在确保电力业务被接收机无误码接收的前提下,在网络业务的闲暇时间段利用流量感知的业务重构算法对电力业务的发射功率、量子业务的波长进行重构,以最大化安全密钥生成率。随后,确定了合适的重构阈值以及QKD设备数,用尽可能少的业务重构次数最大化密钥生成率。结果表明流量感知的业务重构算法相比波长未重构算法和波长重构算法,安全密钥生成能力有显著的提升,能够有效地提高网络的安全密钥生成总量,至少提升了 24.18%。最后对比不同网络拓扑中的密钥生成能力可知,在流量数据大小一定时,网络节点数量的增加会提升网络的密钥生成能力。
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