CC BY
16
Раздел I. Алгоритмы обработки информации
УДК 621.396.96 DOI 10.23683/2311-3103-2019-5-6-16
Я.К. Миронов, К.Е. Румянцев
ФОРМУЛИРОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К ПРОТЯЖЁННОСТИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ ПРИ ВНЕДРЕНИИ ДВУХЭТАПНОГО АЛГОРИТМА СИНХРОНИЗАЦИИ В СИСТЕМЕ КВАНТОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КЛЮЧА
Проанализированы особенности временной синхронизации станций в системах квантового распределения ключа (КРК), учитывающие квантовую природу выходного сигнала фотодетектора. Подчёркивается, что реализация процесса синхронизации в многофотонном режиме потенциально упрощает злоумышленнику несанкционированный доступ (НСД) к конфиденциальной информации. Обсуждаются методы повышения защищённости подсистемы синхронизации, среди которых выделен подход, ориентированный на использование в качестве синхросигнала фотонного импульса со средним числом фотонов менее 1. Цель исследования направлена на установление функциональной зависимости протяжённости волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) от параметров используемых одномодо-вых оптических волокон и однофотонных лавинных фотодиодов (ОЛФД) для формулирования перспектив применения двухэтапный алгоритм однофотонной синхронизации приёмопередающей и кодирующей станций автокомпенсационной системы КРК без разбиения временных кадров на временные сегменты. В анализируемом алгоритме на приёмном конце известен период следования и длительность оптических синхросигналов. Аппаратура на этапе поиска регистрирует приём фотона или импульс темнового тока (ИТТ) в первом временном кадре. Если в кадре не зарегистрирован фотон, то поиск продолжается в последующих кадрах. Если при анализе временного кадра принят фотон, то аппаратура переходит к тестированию, где повторный опрос производится только во время стробиро-вания однофотонного фотодетектора. Исследование показывает перспективу использования двухэтапного алгоритма синхронизации системы КРК с применением одномодовых оптических волокон с минимальным погонным затуханием и однофотонных лавинных фотодиодов с наменьшей частотой генерации ИТТ. Внедрение двухэтапного алгоритма возможно в локальных сетях при протяжённости ВОЛС 20...30 км практически на любых одномодовых оптических волокон в случае применения ОЛФД с частотой генерации ИТТ менее 10 Гц. Построение линий связи с протяжённостью более 50 км возможно только при ориентации на использование ОЛФД с частотой генерации ИТТ менее 1 Гц.
Квантовое распределение ключа; система; двухэтапный алгоритм синхронизации; фотонный импульс; волоконно-оптическая линия; вероятностные характеристики; протяжённость линии связи.
Ya.K. Mironov, K.E. Rumyantsev
THE FORMULATION OF REQUIREMENTS FOR THE LENGTH OF THE
FIBER-OPTIC LINE WHEN INTRODUCING A TWO-STAGE SYNCHRONIZATION ALGORITHM IN THE SYSTEM OF QUANTUM KEY
DISTRIBUTION
The features of time synchronization of stations in .systems of quantum key distribution (QKD), taking into account the quantum nature of the photodetector output signal, are analyzed. It is emphasized that the implementation of the synchronization process in the multi-photon mode potentially simplifies the unauthorized access to unauthorized access to unauthorized access to the
confidential information. Methods for enhancing the security of the synchronization subsystem are discussed, among which the approach is focused on using a photon pulse as the sync signal with an average number of photons less than 1. The aim of the research is to establish the functional dependence of the length of a fiber-optic communication line (FOCL) on the parameters of singlemode optical fibers and single-photon avalanche photodiodes (SAPD) used to formulate the prospects for using a two-stage algorithm for one-photon synchronization of the receiving and transmitting and coding stations of the autocompensation QKD system without dividing time frames on temporary segments. In the analyzed algorithm at the receiving end, the repetition period and duration of optical sync signals are known. The equipment at the search stage registers the reception of a photon or a dark current pulse (DCP) in the first time frame. If a photon is not registered in the frame, the search continues in subsequent frames. If a photon is accepted when analyzing a time frame, the equipment proceeds to testing, where the second survey is performed only during the gating of a single-photon photodetector. The study shows the prospect of using a two-stage synchronization algorithm for a QKD system using single-mode optical fibers with a minimum attenuation and single-photon avalanche photodiodes with a smaller DCP generation frequency. The implementation of a two-stage algorithm is possible in local networks with a fiber optic length of20 ... 30 km on almost any single-mode optical fibers in the case of SAPD with an DCP generation frequency of less than 10 Hz. The construction of communication lines with a length of more than 50 km is possible only with a focus on the use of SAPD with a frequency of DCP generation of less than 1 Hz.
Quantum key distribution; system; synchronization; single photon algorithm; photon pulse; fiber-optic link; probability characteristics.
Предисловие. Применение протоколов квантовой криптографии потенциально обеспечивает абсолютную секретность при шифровании сообщений и распределении секретного ключа между легитимными пользователями [1-3]. Однако техническое несовершенство оптоэлектронных компонентов синхронизации системы КРК потенциально упрощает злоумышленнику организацию несанкционированного доступа (НСД) к информации или внесения помех при работе системы [4-7]. Для этого злоумышленник должен иметь информацию о точном времени стробирования (опроса) оптических детекторов приёмного блока станции [8-9].
В [10] подчёркивается, что проблема временной синхронизации станций в оптических систем связи отличается от традиционной проблемы в системах радиосвязи с аддитивными гауссовскими шумами [11-14].
Подход к оценке эффективности синхронизации, с учётом квантовой природы выходного сигнала фотодетектора развивается в [10]. С этих позиций проанализирован ряд алгоритмов и описаны типовые подсистемы синхронизации оптических систем связи. Показано, что для оптических систем связи наиболее подходящей формой синхросигнала является периодическая последовательность оптических импульсов. Причём синхронизация (оценка времени приёма синхроимпульса) включает по времени две операции. Первая операция грубой синхронизации сводится к дискретизации временного кадра, равного периоду следования синхроимпульсов, на интервалы (временные окна) и обнаружения факта присутствия в одном из них синхросигнала. В процессе второй операции точной синхронизации осуществляются дополнительные временные сдвиги временного окна для определения точного местоположения синхросигнала на временной оси.
Однако анализ в [10] не ориентирован на оценку защищённости подсистемы синхронизации от НСД. Косвенно в пользу слабой защищённости приводимых здесь алгоритмов обнаружения может говорить тот факт, что для синхронизации используются многофотонные синхроимпульсы. Так, например, даже для обеспечения вероятности обнаружения синхроимпульса 0,9 при требовании вероятности ложных тревог 0,001 потребуется во временном кадре регистрировать в среднем 7 фотонов.
Следует остановиться и на результатах натурных испытаний коммерческих систем КРК id 3110 Qavis 2 и QPN 5505 [15-17]. Установлено, что процесс синхронизации здесь реализуется в токовом режиме, где среднее число фотонов на импульс велико.
Реализация процесса синхронизации в многофотонном режиме потенциально упрощает злоумышленнику доступ к конфиденциальной информации. Кроме того, в этих условиях злоумышленник может вносить помехи в процесс КРК [4-6].
Возможность несанкционированного доступа к информации основывается на техническом несовершенстве оптоэлектронных элементов станций легитимных пользователей. Примерами могут служить атаки типа «Троянский конь» или «Атака в лоб» [7], где аппаратура злоумышленника включается непосредственно в ВОЛС между станциями, становясь её неотъемлемым элементов.
Для НСД к квантовому каналу злоумышленник должен иметь информацию о точном времени стробирования оптических детекторов приёмного блока станции [8]. Для этого злоумышленник должен отвести часть оптической энергии из квантового канала в процессе синхронизации станций. При синхронизации отсутствует контроль сигналов, передаваемых между кодирующей и приёмопередающей станциями. Поэтому отвод незначительной энергии из квантового канала не нарушает работу системы КРК. Как следствие, легитимные пользователи не смогут обнаружить присутствие злоумышленника. Технически данная процедура может быть реализована, например, путём применения волоконно-оптических направленных ответвителей.
Обсуждение подходов к повышению защищённости подсистемы синхронизации и формулирование цели исследования. Для повышения защищённости подсистемы синхронизации от НСД может быть использован принцип синхронизации приёмо-передающей и кодирующей станций в автокомпенсационной системе КРК с использованием в качестве синхросигналов фотонных импульсов [18-19]. Фотонный импульс представляет ослабленный импульс передатчика до регистрации в нём в среднем менее одного фотона (как правило, не более 0,1). Отметим, что ослабление оптического импульса до фотонного уровня обеспечивается при обратном распространении синхросигнала по волоконно-оптической линии связи от кодирующей станции к приёмо-передающей станции [15-16].
В [20-23] проведён анализ алгоритма однофотонной синхронизации станций системы КРК с разбиением временного кадра, равного периоду следования оптических импульсов Т8, на временных сегментов с фиксированной длительностью т№. Причём Тх = . Доказана высокая эффективность алгоритма при использовании идеального однофотонного прибора, способного регистрировать все поступающие фотоны. Кроме того, предполагается, что фотоприёмнику не требуется время для восстановления работоспособности после регистрации фотона или импульса темнового тока. Однако применяемые в системах КРК однофотонные лавинные фотодиоды (ОЛФД) регистрируют только один (первый) фотон в режиме счёта фотонов. Кроме того, в случае регистрации фотона требуется время для восстановления рабочего состояния ОЛФД [24-28]. Как следствие, описанный алгоритм требует значительных временных затрат для синхронизации станций.
В [29-31] предложен и исследован двухэтапный алгоритм синхронизации приёмо-передающей и кодирующей станций системы КРК без разбиения временных кадров на временные сегменты. При этом подчёркивается, что двухэтапный алгоритм синхронизации может быть успешно применён только для коротких линий связи. В [32] показано, что для используемых ОЛФД из-за ИТТ протяжённость ВОЛС существенно ограничена при заданной вероятности ошибки синхронизации. Однако количественная оценка влияния реальных параметров подсистемы синхронизации на её вероятностные параметры отсутствует.
Цель исследования состоит в установлении функциональной зависимости протяжённости ВОЛС от параметров используемых одномодовых оптических волокон и ОЛФД для формулирования перспектив применения двухэтапного алгоритма однофотонной синхронизации приёмо-передающей и кодирующей станций системы КРК без разбиения временных кадров на временные сегменты.
Аналитические соотношения для установления зависимости протяжённости ВОЛС от параметров подсистемы синхронизации. Двухэтапный алгоритм синхронизации приёмо-передающей и кодирующей станций системы КРК без разбиения временных кадров на временные сегменты основан на том, что на приёмном конце известен период следования и длительность оптических синхросигналов. Аппаратура на этапе поиска (1-й этап) регистрирует приём фотона или ИТТ в первом временном кадре [ 0 , 7s] . Если в кадре не зарегистрирован фотон, то поиск продолжается в последующих интервалах Если при анализе временного кадра принят фотон, то аппаратура переходит к тестированию (2-й этап), где повторный опрос производится только во время стробирования однофотонного фотодетектора. Отметим, что в остальное время фотоприёмный канал не реагирует на приём фотонов и ИТТ. Поскольку длительность временного кадра во много раз превышает время на восстановление работоспособности ОЛФД, то двухэтапный алгоритм обеспечивает значительный выигрыш по времени синхронизации по сравнению с алгоритмом, предусматривающим разбиение временного кадра на временные сегменты с фиксированной длительностью [33].
Однако двухэтапный алгоритм синхронизации может быть успешно применён только для коротких линий связи. В [32] показано, что для реально используемых ОЛФД из-за ИТТ протяжённость ВОЛС ограничена значением в 70 км при вероятности ошибки синхронизации 0,05.
Анализ двухэтапного алгоритма синхронизации [31] показывает, что, увеличивая количество тестов N test, можно сделать сколь угодно малой вероятностъ ошибки тестирования . Однако добиться сколь угодно близкой к 1
вероятности обнаружения фотонного импульса на этапе поиска , увеличи-
вая число кадров (время анализа), невозможно.
Следовательно, нельзя при значительной протяжённости ВОЛС получить сколь угодно малую вероятность ошибки сигнализации
(1)
Именно этот фактор ограничивает дальность КРК при реализации описанного двухэтапного алгоритма сигнализации.
Ограничение протяжённости ВОЛС связано с двумя причинами, вытекающими из пуассоновского распределения потока фотонов и ИТТ
с пп
Рг{п\п} =--ехр(—п).
п!
Здесь вероятность генерации n событий определяется средним числом фотонов и/или ИТТ п за время наблюдения (длительность временного кадра, оптического импульса или импульса стробирования).
Причина 1. При реализации ВОЛС на одномодовом оптическом волокне и ориентации на предельно-возможное разнесение приёмо-передающей и
кодирующей станций в автокомпенсационной системе КРК период следования оптических синхроимпульсов должен удовлетворять условию
гр ^ гр _ -л ^ О F.тах (2)
' s — ' s,min _ ,, ' (2)
Множитель 2 в формуле учитывает, что в автокомпенсационной системе КРК фотон дважды проходит ВОЛС: приёмо-передающая станция ^ ВОЛС ^ кодирующая станция ^ ВОЛС ^ приёмо-передающая станция.
В формуле (2) скорость распространения фотона в оптическом волокне р0 р определяется показателем преломления сердцевины п 0р на длине волны :
^ОР = Срн/По^ (3)
где ср ь= 300 000 км/с - скорость распространения фотона в вакууме.
Как следствие, возрастает среднее число ИТТ за длительность временного кадра (период следования оптических импульсов)
ПВсЯ.Т = Кося ' Т5 ■ (4)
Причина 2. Среднее число регистрируемых фотонов п~Б за длительность фотонного импульса падает с ростом протяжённости ВОЛС Ь о р
_ _ «ор[дБ/кмНор[км]
п5 = п50 ■1 0 1 о , (5)
где пБ0 - среднее число фотонов в импульсе на выходе кодирующей станции; - погонное затухание применяемого оптического волокна. Из-за описанных двух причин вероятность обнаружения фотонного импульса на этапе поиска за время анализа первых МТБ временных кадров
Рв[Мт5} = ■ ^¡^И ■ Рв5 , (6)
уменьшается с ростом протяжённости ВОЛС Ь о р.
Действительно, в формуле (6) с ростом протяжённости ВОЛС наблюдается падение вероятности отсутствия приёма фотонов и генерации ИТТ за временной кадр
Ро си о = е хр ( - п - птсп.т) (7)
и вероятности регистрации хотя бы одного фотона или ИТТ во время приёма фотонного импульса
Ро5 = 1- ехр (-пва1.5 - пП) ■ (8)
Отметим, что в системах КРК для среднего числа ИТТ за длительность т Б оптического импульса
поСЯ.Б = си ■ т Б (9)
всегда выполняется условие посиБ << пЩ.
Для того чтобы вероятность ошибки синхронизации не превышала допустимого значения РеггМт, должно выполняться условие [32]
Регг.Ит
ns ^ ns.mm — nDCRT ' p еГГ'm ■ (10)
rerr.lim
Условие (10) с учётом (5) при LTP — L0P max определяет максимальную протяжённость ВОЛС L0Pmax, которая находится решением трансцендентного уравнения
L 0 P m ax [к м ] — L 0 P . I im [к м ] ■ 1 0 , (11)
где
I г,™„1 _ "SO'vOF[км/с] Рerr.lim
L 0 P . I im [ км ] — -—f--—--(12)
2 iDCR i-Perr.lim
- предельная протяжённость ВОЛС при использовании оптического волокна без потерь ( а0 F=0 дБ/км).
Количественная оценка влияния реальных параметров используемых одномодовых оптических волокон и ОЛФД на протяжённость ВОЛС. Результаты расчётов по формулам (11) и (12) для системы КРК, генерирующей фотоны на длине волне Apil=1550 нм, сведены в таблицу 1. Расчёты выполнены для ВОЛС на основе одномодовых оптических волокон с показателем преломления оптического излучения в сердцевине п 0 F=14682. Последнее определяет скорость распространения оптического излучения в сердцевине v 0 F=204 332 км/с. Частота генерации ИТТ принята равной ^dsr=6 Гц, что соответствует применению однофотонно-го лавинного фотодиода id210-SFM-C (Standard) при квантовой эффективности фотокатода 10 %. Среднее число фотонов за длительность оптического импульса на выходе из кодирующей станции - ns0=0,1, а допустимая вероятность ошибки синхронизации Perr .¿im=0,05 (5 %). Предельная протяжённость ВОЛС при использовании оптического волокна без потерь составляет 89,6 км. Погрешность расчётов максимальной протяжённости ВОЛС в соответствии с трансцендентным уравнением (11) не превышает 0,02 %.
Таблица 1
Зависимость максимальной протяжённости ВОЛС Ь0р тах от погонного затухания а 0 р=0,20 дБ/км и показателем преломления оптического излучения в сердцевине одномодовых оптических волокон
a0F, дБ/км 0,15 0,16 0,17 0,18 0,19 0,20 0,21 0,22 0,25 0,26
L0F.max, КМ 30,9 29,8 28,9 28,0 27,2 26,5 25,8 25,1 23,4 22,8
Данные табл. 1 позволяют оценить применения различных одномодовых оптических волокон. Например, применение оптического волокна Corning SMF-28e или Corning SMF-28e+ [34] с погонным затуханием а 0 F=0,19...0,20 дБ/км обеспечивают распределение ключа в ВОЛС с длиной 26,5.27,2 км. Максимальная протяжённость ВОЛС может быть увеличена до 28,0.28,9 км при использовании оптического волокна Corning SMF-28 ULL [35], где погонное затухание равно 0,17.0,18 дБ/км. Меньшую протяжённость ВОЛС для распределения ключа обеспечивает применение волокон Corning LEAF [36] (a0F=0,22 дБ/км) и FutureGuide [37] (a0F=0,21...0,23 дБ/км).
Лучшие образцы российского волокна имеют затухание 0,22 дБ/км на длине волны 1550 нм, что позволяет строить линии связи длиной до 25,1 км для КРК. Для сравнения, волокно Sumitomo [38] (Япония) на длине волны 1550 нм имеет затухание 0,154 дБ/км, обеспечивая максимальную протяжённость ВОЛС до 30,4 км.
Сравнение с предельной протяжённостью ВОЛС при использовании оптического волокна без потерь =89,6 км показывает, что затухание излучения в одномодовых оптических волокон даже в лучшем случае сокращает протяжённость ВОЛС более чем в 3 раза. В волокнах отечественного производства это сокращение достигает почти 4 раза.
Из формулы (12) видно, что максимальная протяжённость ВОЛС для КРК обратно пропорциональна частоте генерации ИТТ и практически прямо пропорциональна допустимой вероятности ошибки синхронизации . Поэтому при уменьшении допустимой вероятности ошибки синхронизации до уровня 0,01 предельная протяжённость ВОЛС упадёт до 18 км, что практически не позволит организовать передачу ключа на расстояние более 4,5 .6,1 км.
Увеличение протяжённости ВОЛС для КРК возможно при выборе однофо-тонного лавинного фотодиода с меньшей частотой генерации ИТТ. Например, применение ОЛФД id210-SFM-B с ^dsr=1 Гц позволяет в 6 раз почти до 537 км увеличить предельную (а, следовательно, и максимальную до 130.240 км) про-
тяжённость ВОЛС. Увеличить предельную почти до 1344 км и максимальную до 350 км протяжённость ВОЛС возможно при использовании ОЛФД id210-SFM-A с частотой генерации ИТТ =0,4 Гц.
Выводы. Таким образом, перспектива использования двухэтапного алгоритма синхронизации приёмо-передающей и кодирующей станций автокомпенсационной системы КРК без разбиения временных кадров на временные сегменты связана с применением одномодовых оптических волокон с минимальным погонным затуханием и однофотонных лавинных фотодиодов с наменьшей частотой генерации ИТТ. Применение двухэтапного алгоритма возможно в локальных сетях при протяжённости линии связи 20.30 км практически на любых одномодовых оптических волокон в случае применения ОЛФД с частотой генерации ИТТ менее 10 Гц. Построение линий связи с протяжённостью более 50 км возможно только при ориентации на использование ОЛФД с частотой генерации ИТТ менее 1 Гц.
Расчёт предельной протяжённости ВОЛС при использовании оптического волокна без потерь по формуле (12) позволяет дать экспресс-прогноз в отношении максимальной протяжённости ВОЛС, которая обычно в 3.4 раза меньше предельного значения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Bennett C., Brassard G. Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing // Proceedings of IEEE international conference on computers, systems and signal processing. Bangalore. India. - New York: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 1984.
- P. 175-179.
2. Gisin N., Ribordy G., Tittel W., Zbinden H. Quantum cryptography // Reviews of Modern Physics. - 2002. - Vol. 74, No. 1. - P. 145-195.
3. Shor P. W., Preskill J. Simple proof of security of the BB84 quantum key distribution protocol // Physical Review Letters. - 2000. - Vol. 85. - P. 441-444. Quant-ph/0003004.
4. Gerhardt I., Liu Q., Lamas-Linares A., Skaar J., Kurtsiefer C., and Makarov V. Full-field implementation of a perfect eavesdropper on a quantum cryptography system, Nat. Commun. 2, 349 (2011).
5. Lars Lydersen, Carlos Wiechers, Christoffer Wittmann, Dominique Elser, Johannes Skaar, Vadim Makarov. Hacking commercial quantum cryptography systems by tailored bright illumination // Nature Photonics. Published online: 29.08.2010. doi:10.1038/nphoton.2010.214.
6. Makarov V. Controlling passively quenched single photon detectors by bright light // New Journal of Physics. - 2009. - Vol. 11. 065003.
7. Gisin N., Fasel S., Kraus B., Zbinden H., Ribordy G. Trojan-horse attacks on quantum-keydistribution systems // Physical Review A. - 2006. - Vol. 73. 022320.
8. Румянцев К.Е. Синхронизация в системе квантового распределения ключа с автоматической компенсацией поляризационных искажений // Телекоммуникации. - 2017. - № 2.
- С. 32-40. - https:// elibrary. ru/item. asp?id=28368172.
9. Румянцев К.Е. Защита процесса синхронизации в системе квантового распределения ключа с автоматической компенсацией поляризационных искажений // Телекоммуникации. - 2017. - № 3. - С. 36-44. - https://elibrary.ru/item.asp?id=28860318/.
10. Гальярди Р.М., Карп Ш. Оптическая связь. - М.: Связь, 1978. - 424 с.
11. Витерби Э.Д. Принципы когерентной связи: пер. с англ. / под ред. Б.Р. Левина. - М.: Сов. радио, 1970.
12. Стиффлер Дж. Теория синхронной связи: пер. с англ. / под ред. Э.М. Габидулина. - М.: Связь, 1975.
13. Lindsey W..С. Synchronization Systems in Communication and Control. Prentice-Hall, Eng-lewood Cliffs, New Jersey, 1972.
14. Lindsey W.C., Simon М.К. Telecommunication Systems Engineering. Prentice-Hall, Eng-lewood Cliffs, New Jersey, 1973.
15. Pljonkin A., Rumjantsev K. Preliminary stage synchronization algorithm of auto-compensation quantum key distribution system with an unauthorized access security // Proceeding of the 15th International Conference on Electronics, Information, and Communication 2016 (ICEIC 2016). Jan 27-30, 2016. Danang, Vietnam. - DOI: 10.1109/ELINF0C0M.2016.7562955.
- https://ieeexplore.ieee.org/document/7562955.
16. Курочкин В.Л. и др. Экспериментальные исследования в области квантовой криптографии // Фотоника. - 2012. - Т. 5. - С. 54-66.
17. Румянцев К.Е., Рудинский Е.А. Исследование подсистемы синхронизации системы квантового распределения ключа QPN 5505 // Информатизация и связь. - 2018. - № 4. - С. 12-17.
18. Румянцев К.Е., Плёнкин А.П. Синхронизация системы квантового распределения ключа при использовании фотонных импульсов для повышения защищённости // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2014. - № 8 (157). - С. 81-96.
19. Румянцев К.Е., Плёнкин А.П. Синхронизация системы квантового распределения ключа в режиме однофотонной регистрации импульсов для повышения защищённости // Радиотехника. - 2015. - № 2. - C. 125-134.
20. Плёнкин А.П. Румянцев К.Е. Зависимость вероятности обнаружения фотонного импульса в режиме синхронизации системы квантового распределения ключей от длительности временного окна // Сб. материалов международного научного e-симпозиума. Технические и естественные науки: теория и практика. Россия, г. Москва, 27-28 марта 2015 г.
- Киров: МЦНИП, 2015. - С. 59-72.
21. Румянцев К.Е., Плёнкин А.П. Повышение эффективности алгоритма вхождения в синхронизм системы квантового распределения ключей // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2015. - № 8 (169). - С. 6-19.
22. Pljonkin A., Rumjantsev K. Synchronization algorithm of quantum key distribution system with protection from unauthorized access // Proceeding of the IEEE Photonics Society Workshop on Recent Advances in Photonics (IEEE WRAP 2015). 16-17 December 2015. Indian Institute of Science, Bangalore, India, KA. - 7805988. - https://www.researchgate.net/ publi-cation/320745718_Synchronization_in_Quantum_Key_Distribution_Systems.
23. Pljonkin A., Rumjantsev K. Single-photon synchronization mode of quantum key distribution system // Proceeding of the International Conference on Computational Techniques in Information and Communication Technology 2016. (ICCTICT 2016). 11th-13th March 2016. New Delhi, India.
- P. 531-534. - 7514637. - http://izv-tn.tti.sfedu.ru/wp-content/uploads/2018/5/6.pdf.
24. ID100 v 2016 01 28. Specifications. 2016. www.idquantique.com/.
25. SPADs: // www.boselec.com/products/.../IDQbrochure8-13-13.pdf.
26. http://kazus.ru/datasheets/pdf-data/2616650/FUJITSU/FRM5W232BS.html.
27. ID230 v2015 04 29. Specifications as of May 2015.
28. ID280.http://www.idquantique.com/photon-counting/photon-counting-modules/id280/.
29. Rumyantsev K.E., Rudinsky E.A. Time synchronization method in quantum key distribution system with automatic compensation of polarization distortions // Proceedings of the 2017 International Conference on Cryptography, Security and Privacy (ICCSP 2017), Wuhan, China, March 17-19, 2017. Paper 91.
30. Plenkin A., Rumyantsev K., Rudinsky E. Comparative analysis of single-photon synchronization algorithms in the quantum key distribution system // Proceedings of 2017 IEEE East-West Design & Test Symposium ((EWDTS-2017). 29.09-2.10.2017. Serbia. Novi Sad. - DOI: 10.1109/EWDTS. 2017. art. no. 8110047. - http://ieeexplore.ieee.org/document/8110047/.
31. Eugene Rudinsky and Konstantin Rumyantsev. Graph-analytical method for estimating singlephoton synchronization parameters of an auto-compensation quantum key distribution system // Proceedings of the Futuristic Trends in Network and Communication Technologies (FTNCT-2018). 9-10.02.2018. Waknaghat, India. 2018. Submission ID 166.
32. Румянцев К.Е., ШакирХайдерХуссейн. Ограничения на дальность двухэтапной синхронизации в автокомпенсационной системе квантового распределения ключа // Телекоммуникации. - 2019. - № 12. - C. 2-10.
33. Румянцев К.Е., Рудинский Е.А. Двухэтапный временной алгоритм синхронизации в системе квантового распределения ключа с автоматической компенсацией поляризационных искажений // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2017. - № 5 (190). - C. 75-89.
34. https://www.corning.com/ru/ru/products/communication-networks/products/fiber/smf-28e-.html.
35. https://www.corning.com/ru/ru/products/communication-networks/products/fiber/smf-28-ull.html.
36. https://www.corning.com/media/worldwide/coc/documents/Fiber/PI1107_7-14rus.pdf.
37. http://2m.spb.ru/rus/opticheskie-volokna/opticheskoe-volokno-g.652.d.
38. https://clck.ru/Hg8p2.
REFERENCES
1. Bennett C., Brassard G. Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing, Proceedings of IEEE international conference on computers, systems and signal processing. Bangalore. India. New York: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 1984, pp. 175-179.
2. Gisin N., Ribordy G., Tittel W., Zbinden H. Quantum cryptography, Reviews of Modern Physics, 2002, Vol. 74, No. 1, pp. 145-195.
3. ShorP.W., Preskill J. Simple proof of security of the BB84 quantum key distribution protocol, Physical Review Letters, 2000, Vol. 85, pp. 441-444. Quant-ph/0003004.
4. Gerhardt I., Liu Q., Lamas-Linares A., Skaar J., Kurtsiefer C., and Makarov V. Full-field implementation of a perfect eavesdropper on a quantum cryptography system, Nat. Commun. 2, 349 (2011).
5. Lars Lydersen, Carlos Wiechers, Christoffer Wittmann, Dominique Elser, Johannes Skaar, Vadim Makarov. Hacking commercial quantum cryptography systems by tailored bright illumination, Nature Photonics. Published online: 29.08.2010. doi:10.1038/nphoton.2010.214.
6. Makarov V. Controlling passively quenched single photon detectors by bright light, New Journal of Physics, 2009, Vol. 11. 065003.
7. Gisin N., Fasel S., Kraus B., Zbinden H., Ribordy G. Trojan-horse attacks on quantum-keydistribution systems, Physical Review A, 2006, Vol. 73. 022320.
8. Rumyantsev K.E. Sinkhronizatsiya v sisteme kvantovogo raspredeleniya klyucha s avtomaticheskoy kompensatsiey polyarizatsionnykh iskazheniy [Synchronization in the system of quantum key distribution with automatic compensation of polarization distortions], Telekommunikatsii [Telecommunications], 2017, No. 2, pp. 32-40. Available at: https://elibrary. ru/item.asp?id=28368172.
9. Rumyantsev K.E. Zashchita protsessa sinkhronizatsii v sisteme kvantovogo raspredeleniya klyucha s avtomaticheskoy kompensatsiey polyarizatsionnykh iskazheniy [Protection of the synchronization process in the quantum key distribution system with automatic compensation of polarization distortions], Telekommunikatsii [Telecommunications], 2017, No. 3, pp. 36-44. Available at: https://elibrary.ru/item.asp?id=28860318/.
10. Gal'yardi R.M., Karp Sh. Opticheskaya svyaz' [Optical communication]. Moscow: Svyaz', 1978, 424 p.
11. Viterbi E.D. Printsipy kogerentnoy svyazi [Principles of coherent communication] : transl. from engl., ed.by B.R. Levina. Moscow: Sov. radio, 1970.
12. Stiffler Dzh. Teoriya sinkhronnoy svyazi [Synchronous communication theory]: transl. from engl., ed.by E.M. Gabidulina. Moscow: Svyaz', 1975.
13. Lindsey W.С. Synchronization Systems in Communication and Control. Prentice-Hall, Eng-lewood Cliffs, New Jersey, 1972.
14. Lindsey W.C., Simon М.К. Telecommunication Systems Engineering. Prentice-Hall, Eng-lewood Cliffs, New Jersey, 1973.
15. Pljonkin A., Rumjantsev K. Preliminary stage synchronization algorithm of auto-compensation quantum key distribution system with an unauthorized access security, Proceeding of the 15 th International Conference on Electronics, Information, and Communication 2016 (ICEIC 2016). Jan 27-30, 2016. Danang, Vietnam. DOI: 10.1109/ELINF0C0M.2016.7562955. Available at: https://ieeexplore.ieee.org/document/7562955.
16. Kurochkin V.L. i dr. Eksperimental'nye issledovaniya v oblasti kvantovoy kriptografii [Experimental research in the field of quantum cryptography], Fotonika [Photonics], 2012, Vol. 5, pp. 54-66.
17. Rumyantsev K.E., Rudinskiy E.A. Issledovanie podsistemy sinkhronizatsii sistemy kvantovogo raspredeleniya klyucha QPN 5505 [Investigation of the synchronization subsystem of the quantum key distribution system QPN 5505], Informatizatsiya i svyaz' [Informatization and communication], 2018, No. 4, pp. 12-17.
18. Rumyantsev K.E., Plenkin A.P. Sinkhronizatsiya sistemy kvantovogo raspredeleniya klyucha pri ispol'zovanii fotonnykh impul'sov dlya povysheniya zashchishchennosti [Synchronization system of quantum key distribution when using photon pulses to enhance safety and security], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2014, No. 8 (157), pp. 81-96.
19. Rumyantsev K.E., Plenkin A.P. Sinkhronizatsiya sistemy kvantovogo raspredeleniya klyucha v rezhime odnofotonnoy registratsii impul'sov dlya povysheniya zashchishchennosti [Synchronization of the quantum key distribution system in the mode of single-photon pulse registration to increase security], Radiotekhnika [Radiotechnics], 2015, No. 2, pp. 125-134.
20. Plenkin A.P. Rumyantsev K.E. Zavisimost' veroyatnosti obnaruzheniya fotonnogo impul'sa v rezhime sinkhronizatsii sistemy kvantovogo raspredeleniya klyuchey ot dlitel'nosti vremennogo okna [Dependence of the probability of detecting a photon pulse in the synchronization mode of the quantum key distribution system on the duration of the time window], Sb. materialov mezhdunarodnogo nauchnogo e-simpoziuma. Tekhnicheskie i estestvennye nauki: teoriya ipraktika. Rossiya, g. Moskva, 27-28 marta 2015 g. [Collection of materials of the international scientific e-Symposium. Technical and natural Sciences: theory and practice. Moscow, Russia, March 27-28, 2015]. Kirov: MTSNIP, 2015, pp. 59-72.
21. Rumyantsev K.E., Plenkin A.P. Povyshenie effektivnosti algoritma vkhozhdeniya v sinkhronizm sistemy kvantovogo raspredeleniya klyuchey [Improving the efficiency of the algorithm of entering into synchronism of the quantum key distribution system], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2015, No. 8 (169), pp. 6-19.
22. Pljonkin A., Rumjantsev K. Synchronization algorithm of quantum key distribution system with protection from unauthorized access, Proceeding of the IEEE Photonics Society Work-.shop on Recent Advances in Photonics (IEEE WRAP 2015). 16-17 December 2015. Indian Institute of Science, Bangalore, India, KA. 7805988. Available at: https://www.researchgate.net/ publication/320745718_Synchronization_in_Quantum_Key_Distribution_Systems.
23. Pljonkin A., Rumjantsev K. Single-photon synchronization mode of quantum key distribution system, Proceeding of the International Conference on Computational Techniques in Information and Communication Technology 2016. (ICCTICT 2016). 11th-13th March 2016. New Delhi, India, pp. 531-534. 7514637. Available at: http://izv-tn.tti.sfedu.ru/wp-content/uploads/2018/5/6.pdf.
24. ID100 v 2016 01 28. Specifications. 2016. www.idquantique.com/.
25. SPADs: // www.boselec.com/products/.../IDQbrochure8-13-13.pdf.
26. Available at: http://kazus.ru/datasheets/pdf-data/2616650/FUJITSU/FRM5W232BS.html.
27. ID230 v2015 04 29. Specifications as of May 2015.
28. ID280.http://www.idquantique.com/photon-counting/photon-counting-modules/id280/.
29. Rumyantsev K.E., Rudinsky E.A. Time synchronization method in quantum key distribution system with automatic compensation of polarization distortions, Proceedings of the 2017 International Conference on Cryptography, Security and Privacy (ICCSP 2017), Wuhan, China, March 17-19, 2017. Paper 91.
30. Plenkin A., Rumyantsev K., Rudinsky E. Comparative analysis of single-photon synchronization algorithms in the quantum key distribution system, Proceedings of 2017 IEEE East-West Design & Test Symposium ((EWDTS-2017). 29.09-2.10.2017. Serbia. Novi Sad. DOI: 10.1109/EWDTS. 2017. art. no. 8110047. Available at: http://ieeexplore.ieee.org/document/8110047/.
31. Eugene Rudinsky and Konstantin Rumyantsev. Graph-analytical method for estimating singlephoton synchronization parameters of an auto-compensation quantum key distribution system, Proceedings of the Futuristic Trends in Network and Communication Technologies (FTNCT-2018). 9-10.02.2018. Waknaghat, India. 2018. Submission ID 166.
32. Rumyantsev K.E., Shakir Khayder Khusseyn. Ogranicheniya na dal'nost' dvukhetapnoy sinkhronizatsii v avtokompensatsionnoy sisteme kvantovogo raspredeleniya klyucha [Restrictions on the range of two-stage synchronization in the autocompensation system of quantum key distribution], Telekommunikatsii [Telecommunications], 2019, No. 12, pp. 2-10.
33. Rumyantsev K.E., Rudinskiy E.A. Dvukhetapnyy vremennoy algoritm sinkhronizatsii v sisteme kvantovogo raspredeleniya klyucha s avtomaticheskoy kompensatsiey polyarizatsionnykh iskazheniy [Two-stage time synchronization algorithm in the system of quantum key distribution with automatic compensation of polarization distortions], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2017, No. 5 (190), pp. 75-89.
34. Available at: https://www.corning.com/ru/ru/products/communication-networks/products/fiber/smf-28e-.html.
35. Available at: https://www.corning.com/ru/ru/products/communication-networks/products/fiber/smf-28-ull.html.
36. Available at: https://www.corning.com/media/worldwide/coc/documents/Fiber/PI1107_7-14rus.pdf.
37. Available at: http://2m.spb.ru/rus/opticheskie-volokna/opticheskoe-volokno-g.652.d.
38. Available at: https://clck.ru/Hg8p2.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор В.А. Обуховец.
Миронов Яков Константинович - Южный федеральный университет; e-mail: [email protected]; 347922, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 19; тел.: 89185723456; аспирант.
Румянцев Константин Евгеньевич - e-mail: [email protected]; 347922, г. Таганрог, ул. Чехова, 2,; тел.: 89281827209; кафедра информационной безопасности телекоммуникационных систем; зав. кафедрой; д.т.н.; профессор.
Mironov Yakov Konstantinovich - Southern Federal University; e-mail: [email protected]; 19, Nekrasovsky, Taganrog, 347922, Russia; phone: +79185723456; graduate student.
Rumyantsev Konstantin Evgenievich - e-mail: [email protected]; 2, Chekhov street, Taganrog, 347922, Russia; phone: +79281827209; the department of information security of telecommunication systems; head of department; dr. of eng. sc.; professor.
УДК 621.396 DOI 10.23683/2311-3103-2019-5-16-25
Р.Р. Ибадов, В.П. Федосов, В.В. Воронин, С.Р. Ибадов
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА СИНТЕЗА ТЕКСТУР ИЗОБРАЖЕНИЙ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ НА ОСНОВЕ НЕЙРОННОЙ СЕТИ*
Удаление изображений облаков с фотографий подстилающей поверхности является необходимым условием для применения наборов данных со спутников Земли, поскольку такие спутниковые снимки используются для анализа изменений почвенного покрова, связанного с расширением городов, восстановлением лесов на заброшенных сельскохозяйственных землях, оценкой площади лесов, выявлением типов лесов и классификацией земного покрова, а эти данные чаще всего загрязнены облаками. В статье исследован алгоритм выделения и удаления изображений облаков и разработана его программная реализация. Показана эффективность нового подхода на нескольких примерах для различных областей поверхности земли с облаками. Предметом исследования являются методы и алгоритмы детектирования и реконструкции объектов, скрывающих детали на изображениях, в частности изображений облаков. Объектом исследования является набор из тестовых изображений. Результатом исследования является разработка метода удаления изображений облаков с целью восстановления области, перекрытой облаками. Новизной работы является алгоритм, позволяющий повысить качество восстановления изображений на основе нейронной сети. Полученные результаты позволяют восстановить области, перекрытые облаками. Оценка эффективности метода восстановления изображений проводилась с помощью статистического критерия - среднеквадратического отклонения результата обработки
* Работа подготовлена при поддержке гранта Южного федерального университета № ВнГр-07/2017-25.
