（西北民族大学电气工程学院 甘肃兰州 730100）
摘要：无线通信网络摆脱了网线的束缚，而它进行信息传输的主要依据就是利用无线电波进行传输。当前用于无线通信的频谱范围已经从约100kHz扩展到约50GHz，在空间传播过程中必然引起损耗和信息安全问题。然我国量子通信技术的发展使通信具有理论上的无条件安全性和高效性，这代表着双方通信更加安全和快速。
关键词：数字微波量子通信网络协议
一、无线通信系统
1.1无线通信的基本概念
无线通信系统由发射机，无线连接的信道和接收器组成。信息经过调制后送入信道传递，再经过解调恢复出原始信息。信息的交换方式可分为两种形式，单工通信和双工通信。这两种通信方式仅用于两个用户之间的通信，当多个用户进行通信时，最常用的无线通信结构就是经典的星形网络。
1.2信号传输理论基础
电磁波信号是一个关于时间的函数，它也可以表达为一个频率的函数。不同的频率成分是组成一个信号的重要因素，即我们可以把电磁波信号分为模拟信号和数字信号，不同的信号采用不同的方式进行分析。在现代通信传输的技术中，数字微波接力通信与光纤通信、卫星通信占据着重要地位。
为了适应同步数字序列（SDH）传输速率的要求，数字微波接力通信系统的单波道传输速率必须进一步提高。现代通信过程中为了降低系统的误码率，引入了纠错编码的技术。目前单波道传输速率为350Mbi/s以上，同时使用的是64QAM、128QAM和512QAM调制技术，这些技术在波形成形技术上要求的更加严格。当纠错编码和克服载波恢复相位模糊的差分编码结合使用的时候，差分编码的误码扩散作用会对纠错编码的纠错能力提出很高的要求，使得系统的频谱和功率利用率降低通常可以利用对相位透明的多进制LEE氏纠错编码克服这种影响。为进一步提高纠错编码的效率，在SDH微波传输中还采用了多级编码调制和网格编码调制等将纠错编码和调制结合在一起进行设计的新技术。
1.3数字微波收发信机
数字微波收发信机传输的是多电平QAM信号，她的典型构成方框见图。
从中频多电平QAM调制器来的信号送至发信中频放大器，此处取中频频率为140MHz，经过线性放大后送至发信混频器，与发信本振混频取出所需的微波信号，由边带滤波器选出，再经过微波功率放大器线性放大至所需发信功率，经分波道滤波器送至微波分路系统和天、馈线系统。
在收信机中，接收到的微波信号经分波道滤波器进入具有自动增益控制（AGC）能力的低噪声微波放大器。当收信号处在-15dBm~-47dBm范围内时，其输出将始终保存在（-15±1）dBm的范围。若收信号输入范围进一步增大，其输出将随输入改变。该输出经带通滤波器送至收信混频器，与收信本振差出140MHz中频信号，经前置中方，群时延均衡器、中频滤波器后进入具有自动增益控制能力的主中放。使输出中频电平在前置中放输出，在-4dBm~-44dBm的范围内能保持在（-10±1）dBm的范围。这里的群时延均衡器是用来均衡微波滤波器所引入的群时延特性不均匀的。
二、无线网络安全
2.1 网络通讯协议（TCP/IP）
TCP/IP协议族包括四层，从上往下分别为应用层、传输层、网络层和网络接口层，如图所示。
TCP/IP将不同的底层物理网络、拓扑结构隐藏起来，向用户和应用程序提供通用、统一的网络服务。从用户角度来看，整个TCP/IP互联网就是一个统一的整体，它独立于具体的各种物理网络技术。在某种意义上，可以把这个单一的网络看作一个虚拟网，在逻辑上它是独立、统一的。在物理上它是由不同的网络互联而成。
应用层：应用层提供符合各种不同需求和特性的管理服务和应用服务。常见的有文件传输（FTP）、电子邮件（SMTP）域名系统（DNS）、HTTP等。无线局域网安全分析
传输层：传输层为信源节点和目的节点间的通信提供端到端的数据数据传输，而通信子网只能提供相邻节点之间的点到点传输。
网络层（IP层）：IP层的主要功能是分组转发和路由选择，实现网络中点对点互连，IP协议是其实现的基础协议。
网络应用层：数据链路层协议实现了网络中相邻设备之间的互连。它定义了各种介质的物理连接的特性，及其在不同介质上的信息帧格式。
链路层中有三种数据帧：管理帧、控制帧和数据帧，攻击者对这些数据帧的任何操作都有可能直接或潜在的危及数据的机密性、完整性、相互认证和可用性。以下列举七种威胁无线局域网的方式，分别是1.被动侦听/流量分析；2.主动侦听/信息注入；3.消息删除和拦截；4.伪装和恶意AP;5.会话劫持；6.中间人攻击；7.拒绝服务攻击。
无线局域网通过无线电波在空中传输数据，在数据发射区覆盖区域内的几乎任何一个无线局域网用户都能接触到这些数据，而防火墙对通过无线电波进行的网络通讯起不了作用,因此所有人在视距范围之内都可以截获和插入数据。针对于这个安全威胁，现代科学技术又研究出各种解决方法，其中属量子通信技术最为先进。
三、量子通信的安全性能分析
3.1量子通信的概念
量子通信是指利用量子力学基本原理或基于物质量子特性的通信技术。实现一个完整的量子通信系统则以量子编码理论为基础，以特定的量子通信协议为核心，通过实现量子信号产生、调制和探测等关键技术，最终实现量子信息或经典信息的传送。量子通信最大的优点就是具有理论上的无条件安全性和高效性
3.2量子通信协议
量子通信之所以具有普通通信达不到的安全性的原因之一就是其使用的协议。1.基于纠缠光子信号的量子通信协议；2.基于单光子信号的量子通信协议；3.基于连续变量信号的量子通信协议。基于纠缠光子信号，Ekert91协议可以现实安全的量子秘钥分发。通过量子纠缠，秘钥在两地进行测量操作的瞬间直接生成，同时量子力学原理保证了任何对量子系统进行窃听的行为将不可避免地造成干扰，从而能够被通信双方发觉。本质上讲，连续变量量子秘钥分发的安全性和单光子量子密钥分发一样，也是由不可克隆定理保证的。
如下图显示量子通信网络的协议分层，两边是量子通信终端，中间是量子交换机。粗实线表示光纤量子信道，两个用户均可作为发送方和接收方，其构成根据量子通信的具体形式和采用的方案而定。图中最上面的为应用层，在这一层会根据发送基和测量基的对比获得筛选密钥序列，进而经过误码检验获得最终密钥。其次也可以通过纠错降低量子信道的误码率，通过密信放大进一步提高数据的保密性。
3.3 无线量子通信系统
目前最为成熟的量子通信技术是基于光纤信道实现的量子保密通信系统，但在无线量子通信中，基于自由空间信道的无线量子通信系统成果最为显著。
目前，自由空间量子通信试验还主要在地面大气环境中实施，为此环境下的主要衰减机制为大气衰减和几何衰减。大气衰减来源于大气对信号光的吸收和散射，几何衰减是由于光具有一定的发散角，经过远距离传输后，信号光光斑将远大于接收端的接收口径，从而使接收端无法接收全部信号。
大气衰减系数：σ（λ）=σm+σα+κm+κα
其中σm为气体分子或瑞利散射系数，σα为气体中的悬浮微粒或米氏散射系数，κm为分子吸收系数，κα为悬浮微粒的吸收系数。
几何损耗是由于发射端发射的信号光存在一定的发散角，随着信号光传输距离的增加，信号光的光斑将逐渐扩大，而接收端的接收望远镜不可能无限制地提高接受口径，这就造成了接收端由于信号光光斑过大而无法完全接收而导致信号光损耗。由于高斯光束的光斑尺寸会随着传输距离的增加而增大，光束也逐渐发散，通常用远场发散来描述高斯光束的发散程度，即θ=lim2ω（z）/z=2λ/πω0
故要使高斯光束的发散角变小，即可通过增大它的光腰半径来实现，为了得到扩大了的光腰，就需要先将高斯光束扩束，一般情况下采用望远镜系统来达到扩束的目的。
参考文献
[1]裴昌幸，朱畅华，韩宝彬.现代通信系统和网络测量.北京：人民邮电出版社，2008.
[2]余重秀.光交换技术.北京：人民邮电出版社，2008.
[3]马瑞霖.量子密码通信.北京：科学出版社，2006.
论文作者:李庆庆,张玉婷
论文发表刊物:《电力设备》2017年第10期
论文发表时间:2017/8/4
标签：量子论文; 信号论文; 通信论文; 微波论文; 数据论文; 信道论文; 网络论文; 《电力设备》2017年第10期论文;