Τίτλος Διπλωματικής Εργασίας: Quantum Key Distribution (QKD) over terrestrial FSO systems for Secured, Low-Latency Beyond-5G Networks
Ερευνητική περιοχή:
Η μετάβαση στα δίκτυα του μέλλοντος, στην μετά-5G εποχή, προϋποθέτει την αξιοποίηση τεχνολογιών επίγειας ασύρματης οπτικής μετάδοσης σε τομείς του δικτύου που βρίσκονται όλο και πιο κοντά στο χρήστη. Η αξιοποίηση αυτής της τεχνολογίας θα συνεισφέρει στην αντιμετώπιση των προκλήσεων του της ακόμα μικρότερης καθυστέρησης (low-latency) στην άκρη του δικτύου (network edge) μέσα από ευέλικτες mesh τοπολογίες δικτύου. Οι τοπολογίες αυτές θα υλοποιηθούν μέσα από τα συστήματα Οπτικών Ασύρματων Επικοινωνιών (Optical Wireless Communications – OWC [1]), τα οποία αξιοποιούνται σήμερα για λειτουργίες backhauling του δικτύου αλλά και για εφαρμογές δορυφορικών ζεύξεων.
Παράλληλα με τις ανάγκες κάλυψης υψηλών απαιτήσεων στην απόδοση των δικτύων, η υποδομή των OWC συστημάτων θα συνεισφέρει στην ασφάλεια (security) του δικτύου μέσα από τον διαμοιρασμό κβαντικών κλειδιών για τις ανάγκες των συμμετρικών κρυπτοσυστημάτων (AES-128/256) των κόμβων. Τα επίγεια ασύρματα οπτικά συστήματα έχουν προταθεί ως μια ελκυστική λύση στην υλοποίηση κβαντικών πρωτοκόλλων κρυπτογραφίας που προσφέρουν ασφάλεια στη δημιουργία και το διαμοιρασμό κλειδιού που βασίζεται στους νόμους της Κβαντικής Επεξεργασίας Πληροφορίας [2]. Η υλοποίηση των επίγειων QKD ζεύξεων αξιοποιεί την υπάρχουσα υποδομή των κλασικών σύμφωνων/ασύμφωνων OWC συστημάτων [3], εξασθενώντας τα οπτικά σήματα στην περιοχή του μοναδικού φωτονίου (single photon regime).
Ενότητες εργασίας:
- Παρουσίαση και μελέτη της προτεινόμενης τοπολογίας στην άκρη του δικτύου βασισμένο σε έναν OWC κόμβο που συνδέεται με οπτική ίνα και έχει τη δυνατότητα με ευέλικτο τρόπο να επικοινωνεί μέσα από μια mesh τοπολογία άλλους Free-Space Optics (FSO) transceivers που συνδέονται με μικρο-κυψέλες για την ασύρματη πρόσβαση χρηστών.
- Μελέτη κλασικού καναλιού μετάδοσης πληροφορίας για λειτουργία σε Gbps ρυθμούς μετάδοσης για διαφορετικά σενάρια ασύρματου καναλιού. Έμφαση θα δοθεί στην ανάδειξη των μετρικών επίδοσης του δικτύου που επιχειρεί να βελτιώσει η ευέλικτη FSO-τοπολογία (πχ. low-latency performance).
- Μελέτη του κβαντικού καναλιού εφαρμόζοντας εξασθένιση για μετάβαση στην περιοχή λειτουργίας μοναδικού φωτονίου. Αξιολόγηση του DV-QKD πρωτοκόλλου για τα σενάρια της υλοποίησης του FSO link που μελετήθηκαν στο κλασικό κανάλι και εξαγωγή βασικών μεγεθών (QBER, SKR).
- Μελέτη συνύπραξης κλασικών/κβαντικών καναλιών (classical/quantum coexistence) σε μία WDM τοπολογία για διαφορετικά προφίλ καναλιού. Η μελέτη αυτή έχει στόχο να αναδείξει τα πλεονεκτήματα του ελεύθερου χώρου για το σχήμα συνύπαρξης στην απουσία μη-γραμμικών φαινομένων και τη συσχέτιση κλασικού BER/QBER μεταξύ των καναλιών για τη βελτιστοποίηση της WDM διάταξης.
- Αξιολόγηση των μετρικών επίδοσης της ασφάλειας των συμμετρικών κρυπτομηχανών που βασίζονται στα AES πρωτόκολλα. Επέκταση βιβλιογραφικής έρευνας για δυνατότητα συνεργασίας του QKD με Physical Layer Security (PLS) μεθόδους [4] στο ασύρματο οπτικό κανάλι.
Βιβλιογραφία:
[1] D. Schulz et al., “Robust Optical Wireless Link for the Backhaul and Fronthaul of Small Radio Cells”, IEEE Journal of Lightwave Technology, Vol. 34, No.6, pp. 1532-1532 (2016).
[2] E. Diamanti, “Practical challenges in quantum key distribution”, npj Quantum Information 2, 16025 (2016).
[3] P.V. Trinh et al., “Quantum Key Distribution over FSO: Current Development and Future Perspectives”, in Proc. of 2018 PIERS Toyama, 1-4 August 2018, Toyama, Japan.
[4] R. Chen et al., “Physical Layer Security for Ultra-Reliable and Low-Latency Communications”, IEEE Wireless Communications, October 2019.
Επικοινωνία:
Γιάννης Γιαννούλης, Μετα-διδάκτορας Ερευνητής (jgiannou@mail.ntua.gr)
Νίκος Λύρας, Μετα-διδάκτορας Ερευνητής (lyrasnikos@mail.ntua.gr)
Δημήτρης Ζαβιτσάνος, Υποψήφιος Διδάκτορας (dimizavitsanos@mail.ntua.gr)
