CN104486317A - 一种用于电力系统的多用户量子密钥分配的共纤传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于电力系统的多用户量子密钥分配的共纤传输方法，包括以下步骤：定义WDM光纤中的信道类型；对每一用户进行波长分配；实现多用户量子密钥分配中的共纤传输。本发明提供的用于电力系统的多用户量子密钥分配的共纤传输方法，解决了量子信号与同步信号在传输过程中的“步调不一”问题，而且降低了同步信号与量子信号之间以及多用户之间信号的串扰，节省了成本，有利于促进量子密钥分配在电力光纤专网中的实用化。
Description
技术领域
本发明涉及属于电力系统通信技术领域，具体涉及一种用于电力系统的多用户量子密钥分配的共纤传输方法。
背景技术
实现量子加密除了产生单光子量子信号作为密钥外，还需要传输协议执行所需的协议和测量基信息以及探测所需的同步信息，承载这两种信息的信号均为传统的经典信号(与单光子信号相对应)，为了区分将前者称为对基信号，后者称为同步信号。对基信号可以在传输用户数据信号的公网中传输，既可以是光信号的形式也可以为电信号的形式。与普通的地埋光缆不同，电力架空光缆的长度在受到温度变化、机械外力方面会发生较为快速的变化，特别是风振和舞动，会造成光缆长度发生快于秒量级的快速变化，从而导致延时的快速变化，这要求在设计量子密钥分配系统时应该考虑同步问题，简单的跟踪系统不一定跟得上延时变化速度。
为了控制量子信号与同步信号之间的时延通常采用共纤传输的传输方式，在电力架空光缆中一根光缆通常有24芯甚至更多，因此一种比较方便的同步办法就是同一根光缆中一芯用来传输量子信号，另一芯用来传输同步信号。虽然采用这种方式时两种信号受到的温度、风振、舞动影响都差不多，相对延时的变化变得较为缓慢。但是在实际的量子密钥分配系统中仍然会产生较大的时延变化差异，因此需要有一个实时的跟踪系统，通过统计单光子探测器的计数来小范围调节同步接收模块与单光子探测器门控信号之间的延时。另一种可行的共纤传输方法为采用波分复用方式，即将量子信号与同步信号复用在架空光缆的同一根纤芯中。
目前现有的波分复用共纤传输方案大致分为三种：量子信号放置于1550nm波段，同步信号放置于1310nm波段；量子信号放置与于1310nm波段同步信号放置于1550nm波段；以及使用DWDM将量子信号与同步信号均复用在1550nm波段。在这三种传输方案中，前两种方案虽然信道间隔较大可以降低串扰，但是使用不同的波段时光在光纤中的折射率是不一样的，这就导致了同步信号与量子信号传输速度不同，一旦光缆的长度发生大范围的变化，将会导致同步光信号和量子光信号之间的延时发生明显变化；而且在1310nm波段具有较大的光纤传输损耗。第三种方案中通常将所有用户的同步信号放置与整个波段的一侧，所有用户的量子信号放置于整个波段的另一侧，这一方案虽然可以解决传输速度与传输损耗问题，但是信道间隔较小非线性效应等问题明显，而且对于信号传输受外界环境影响较大的电力系统，同一用户的同步信号与量子信号间隔较大，经过了长距离传输后也不利于同步。
发明内容
由于电力架空光缆受外界环境影响严重，同步信号与量子信号的延时变化速度快，因此电力系统中通常将量子信号与同步信号共纤传输。在点对点的量子密钥分配系统基础上，本发明提供一种用于电力系统的多用户量子密钥分配的共纤传输方法，解决了量子信号与同步信号在传输过程中的“步调不一”问题，而且降低了同步信号与量子信号之间以及多用户之间信号的串扰，节省了成本，有利于促进量子密钥分配在电力光纤专网中的实用化。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种用于电力系统的多用户量子密钥分配的共纤传输方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：定义WDM光纤中的信道类型；
步骤2：对每一用户进行波长分配；
步骤3：实现多用户量子密钥分配中的共纤传输。
所述步骤1中，共纤传输时WDM光纤中的信道类型包括经典信道和量子信道；
(1)经典信道的波长资源用于传输探测量子密钥所需的同步信号，占据每一用户所分配的信道资源的长波长部分；
(2)量子信道的波长资源只可用于传输量子信号，占据每一用户所分配的信道资源的短波长部分。
所述步骤2中，对单个用户同步信号与量子信号共纤传输进行波长分配，每一用户占据两个相邻用户信道，其中长波长信道用作经典信道，短波长信道用作量子信道；用户信道的中心波长符合ITU-T的标准建议G.692，且同一用户两个信道之间的距离间隔不小于1.6nm。
所述步骤3具体包括以下步骤：
步骤3-1：不同用户通过不同波长的窄带激光源与单光子光源分别产生同步信号与量子信号，且同步信号与量子信号同步；
步骤3-2：将同一用户的同步信号与量子信号按对单个用户同步信号与量子信号共纤传输的波长分配进行复用，且在同一根光纤中进行传输，以降低同一用户信号中同步信号对量子信号的影响；
步骤3-3：在不同用户信号之间增加时延模块，并分别调节用户之间的发送时延，使不同用户之间的信号在时域上互相远离，从时域上减少多个用户信号间串扰；
步骤3-4：多个用户的多路信号通过WDM设备进行复用，相邻的用户信道的波长间隔大于同一用户两信道之间的波长间隔，从频域减少本用户的同步信号与相邻用户的同步信号共同对量子信号带来的串扰；
步骤3-5：不同用户信号在经过交换节点后，传输到不同的接收端，其中同一用户的同步信号与量子信号在交换过程中始终在同一根光纤中，直到到达接收端才解复用，由同步信号控制单光子探测器对量子信号进行探测，保证信号的同步。
所述步骤3-3中，所述时延模块为电时延模块或光时延模块。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、将多用户量子信号与同步信号共纤传输的方式可以解决电力系统中量子密钥分配的同步问题，而且多用户信号的复用可以极大地节省成本。
2、其次，与其他的共纤传输的波长分配方案相比，本发明量子信号与同步信号均复用在1550nm波段，解决了不同光波长的折射率不同造成的延时问题。而且在1550nm波段的光纤损耗较低，有利于信号的长距离传输。
3、将同一用户的量子信号与同步信号分配在相邻的波长，这样可以保证用户信号在传输和交换过程中实现同步。在分配经典信道(用于传输同步信号)与量子信道(用于传输量子信号)时将经典信道分配在长波长，量子信道分配在短波长，这样的分配方式可以降低拉曼散射等非线性效应的影响。
4、充分考虑了多用户量子信号与同步信号共纤传输时，不同用户信号串扰问题，在频域上提出了相邻用户信道间隔大于同一用户量子信号与同步信号信道间隔的分配方式；在时域上采取了相邻用户之间引入一定时延差使其在时域上相互远离的方式；同时采取这两种措施，可以更有效地降低信号间的串扰对量子信号带来影响。
附图说明
图1是本发明实施例中波长分配示意图；
图2是本发明实施例中利用量子密钥对远端控制中心与变电站之间的控制信息进行加密结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种用于电力系统的多用户量子密钥分配的共纤传输方法，同一用户的量子信号与同步信号复用为一路信号，不同用户产生的多路信号通过波分复用方式在同一根光纤上同时传输，每个用户占用两个相邻波长。将同一用户信号放置于相邻波长，有利于在传输和交换过程中实现同步。为了降低信号间的串扰，量子信号与同步信号以及不同用户信号间采取了不同的波长间隔，即同一用户经典信号与量子信号间隔Δλ1大于或等于1.6nm，不同用户信道间隔Δλ2大于Δλ1。除此之外，在时域上，相邻用户之间加入一定的时延差，可以使不同用户信号在时域上相互远离，以上两种措施同时使用可以极大地降低串扰对系统造成的影响。
本发明提供一种用于电力系统的多用户量子密钥分配的共纤传输方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：定义WDM光纤中的信道类型；
步骤2：对每一用户进行波长分配；
步骤3：实现多用户量子密钥分配中的共纤传输。
所述步骤1中，由于同步信号属于经典光信号，功率远大于量子信号，因此在共纤传输时量子信号受同步信号的拉曼散射和四波混频的影响很大。经过研究发现拉曼噪声来源于泵浦光和光纤中的震荡模式(光声子)的非弹性相互作用，产生的散射光子波长小于或大于泵浦光，分别对应于反斯托克斯和斯托克斯散射，而斯托克斯散射的强度比反斯托克斯散射的强度强，因此将经典信道放置于主要受斯托克斯散射影响的长波长位置，量子信道放置于短波长处可以降低拉曼散射带来的噪声影响。根据这一事实，共纤传输时WDM光纤中的信道类型定义为如下：
(1)经典信道的波长资源用于传输探测量子密钥所需的同步信号，占据每一用户所分配的信道资源的长波长部分；
(2)量子信道的波长资源只可用于传输量子信号，占据每一用户所分配的信道资源的短波长部分。
所述步骤2中，对单个用户同步信号与量子信号共纤传输进行波长分配，每一用户占据两个相邻用户信道，其中长波长信道用作经典信道，短波长信道用作量子信道；用户信道的中心波长符合ITU-T的标准建议G.692，且同一用户两个信道之间的距离间隔不小于1.6nm，可以减小同步信号对量子光信号的串扰。
所述步骤3重点解决了如何在多用户量子密钥分配网络中解决同步问题以及共纤传输时的串扰问题，具体包括以下步骤：
步骤3-1：不同用户通过不同波长的窄带激光源与单光子光源(或弱相干光源)分别产生同步信号与量子信号，且同步信号与量子信号同步，使用窄带激光源产生同步光信号可以尽量限制同步光的带宽，降低其对量子信号的串扰；
步骤3-2：将同一用户的同步信号与量子信号按对单个用户同步信号与量子信号共纤传输的波长分配进行复用，且在同一根光纤中进行传输，以降低同一用户信号中同步信号对量子信号的影响；
步骤3-3：在不同用户信号之间增加时延模块(时延模块为电时延模块或光时延模块)，并分别调节用户之间的发送时延，使不同用户之间的信号在时域上互相远离，从时域上减少多个用户信号间串扰；
步骤3-4：多个用户的多路信号通过WDM设备进行复用，相邻的用户信道的波长间隔大于同一用户两信道之间的波长间隔，从频域减少本用户的同步信号与相邻用户的同步信号共同对量子信号带来的串扰，如图1所示，其中短线为量子信号，长线为同步信号，同一用户信号用弧形符号表示；
步骤3-5：不同用户信号在经过交换节点后，传输到不同的接收端，其中同一用户的同步信号与量子信号在交换过程中始终在同一根光纤中，直到到达接收端才解复用，由同步信号控制单光子探测器对量子信号进行探测，保证信号的同步。
实施例
附图2为场景1：远端控制中心向多个变电站发送控制信息时，可利用量子密钥对远端控制中心与变电站之间的控制信息进行加密，若变电站数目为3个，则需要使用本专利的共纤传输方法对3个变电站的同步信号与量子信号进行波长分配，具体的实施过程如下：
步骤1：在变电站端配备量子发送设备，产生量子密钥对控制信息进行加密，同一变电站的量子信号与同步信号之间的信道间隔为1.6nm，每一用户选择的中心波长在1550nm波段，并且满足ITU-T的标准建议；
步骤2：将多个变电站的信号复用在一根光纤中进行传输，相邻变电站间的信号间隔为3.2nm，则3个变电站的频率选择分别为：变电站1为193.4THz与193.2THz，变电站2为192.8THz与192.6THz、变电站3为192.2THz与192.0THz；
步骤3：每个变电站量子密钥发送端配备延时模块，在发送信号之前，调节延时模块，使不同用户信号在时域上远离；
步骤4：经过远距离传输后到达控制中心进行解复用，并对不同变电站的量子信号进行探测。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于电力系统的多用户量子密钥分配的共纤传输方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1：定义WDM光纤中的信道类型；
步骤2：对每一用户进行波长分配；
步骤3：实现多用户量子密钥分配中的共纤传输。
2.根据权利要求1所述的用于电力系统的多用户量子密钥分配的共纤传输方法，其特征在于：所述步骤1中，共纤传输时WDM光纤中的信道类型包括经典信道和量子信道；
(1)经典信道的波长资源用于传输探测量子密钥所需的同步信号，占据每一用户所分配的信道资源的长波长部分；
(2)量子信道的波长资源只可用于传输量子信号，占据每一用户所分配的信道资源的短波长部分。
3.根据权利要求1所述的用于电力系统的多用户量子密钥分配的共纤传输方法，其特征在于：所述步骤2中，对单个用户同步信号与量子信号共纤传输进行波长分配，每一用户占据两个相邻用户信道，其中长波长信道用作经典信道，短波长信道用作量子信道；用户信道的中心波长符合ITU-T的标准建议G.692，且同一用户两个信道之间的距离间隔不小于1.6nm。
4.根据权利要求1所述的用于电力系统的多用户量子密钥分配的共纤传输方法，其特征在于：所述步骤3具体包括以下步骤：
步骤3-1：不同用户通过不同波长的窄带激光源与单光子光源分别产生同步信号与量子信号，且同步信号与量子信号同步；
步骤3-2：将同一用户的同步信号与量子信号按对单个用户同步信号与量子信号共纤传输的波长分配进行复用，且在同一根光纤中进行传输，以降低同一用户信号中同步信号对量子信号的影响；
步骤3-3：在不同用户信号之间增加时延模块，并分别调节用户之间的发送时延，使不同用户之间的信号在时域上互相远离，从时域上减少多个用户信号间串扰；
步骤3-4：多个用户的多路信号通过WDM设备进行复用，相邻的用户信道的波长间隔大于同一用户两信道之间的波长间隔，从频域减少本用户的同步信号与相邻用户的同步信号共同对量子信号带来的串扰；
步骤3-5：不同用户信号在经过交换节点后，传输到不同的接收端，其中同一用户的同步信号与量子信号在交换过程中始终在同一根光纤中，直到到达接收端才解复用，由同步信号控制单光子探测器对量子信号进行探测，保证信号的同步。
5.根据权利要求4所述的用于电力系统的多用户量子密钥分配的共纤传输方法，其特征在于：所述步骤3-3中，所述时延模块为电时延模块或光时延模块。
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