CN105141390A - 一种量子网络中的时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种量子网络中的时间同步方法用户通过量子网络向服务器发射信号光子并记录发射时间T1，服务器接收到信号光子并记录接收时间T2；然后服务器向用户发射信号光子并记录发射时间T3，用户接收到信号光子并记录接收时间T4，并记录中继站的时延消除了信号光子经过中继站时的时延不确定性，从而使用户通过量子网络经所述的中继站向所述的服务器发射的信号光子与所述的服务器经所述的中继站向用户发射的信号光子在来回路径上消耗的时间相同，提高了时间同步的精度。

Description

一种量子网络中的时间同步方法

技术领域

本发明属于量子通信领域，具体涉及一种量子网络中的时间同步方法。

背景技术

随着科技的发展，时间测量的精度不断提高，高精度时间频率的应用变得十分重要。而高精度时间频率的应用离不开高精度时间同步技术。随着高精度时间同步技术在基础科研、导航定位、电力、通信以及现代国防等方面的广泛应用，对时间同步技术的精度要求也越来越高。

然而目前网络上广泛应用的网络时间协议NTP(NetworkTimeProtocol)授时精度并不十分理想。例如，近年来出现的一种基于时间戳的时间同步方法，中国发明专利申请公开号为CN101171789A所公开的内容“提供一种基于时间戳的时间同步方法和设备。时间同步方法包括:将基于自由运行本地时钟的本地时间戳发送到主节点；从主节点接收响应时间戳；基于响应时间戳计算DELTA时间值；使用以自由运行本地时钟频率运行的数字低通滤波器对DELTA时间进行滤波；以及基于滤波的DELTA时间来调整本地时钟时间。”时间戳，通常是一个字符序列，唯一地标识某一刻的时间。该方法采用的是将时间戳发送到主节点，其授时精度不高主要有如下两方面的原因：一方面，时间戳一般都在应用层加盖，包含了计算机处理和协议封装(解封)开销等不可具体量化的时延，数值一般在几十微秒到几百微秒之间，具有随机性，无法准确预知；另一方面，由于网络延迟的不确定性，不能确保信号在用户和服务器之间来回传递的时间完全相等。

发明内容

针对NTP协议中由于网络延迟不确定性和应用层到物理层传输时间的不确定性造成的时间同步精度难以提高的问题，本发明基于量子通信本身的特性，提供一种量子网络中使用NTP协议时间同步原理的时间同步方法，实现用户和服务器之间高精度的时间同步。

本发明一种量子网络中的时间同步方法，包括以下步骤

(1)用户通过量子网络直接或经中继站向服务器发射信号光子，并记录发射时间T1；

(2)所述的服务器接收到用户发送的信号光子，并记录接收时间T2；

(3)所述的服务器通过量子网络原路返回向用户发射信号光子，并记录发射时间T3；

(4)用户接收到所述的服务器发送的信号光子，并记录接收时间T4；

(5)所述的服务器通过经典网络把T2和T3的数值发送给用户；

(6)信号光子从所述的服务器到用户时经过中继站的总时延记为Δt1；

(7)信号光子从用户到所述的服务器时经过中继站的总时延记为Δt2；

(8)所述的中继站通过经典网络把Δt1和Δt2的数值发送给用户；

(9)将用户与所述的服务器之间的所述的中继站的数目记为N,N≥0；将用户与所述的服务器的时间差记为t，信号光子从用户到所述的服务器路径上消耗的时间记为δ1，得到公式T2＝T1+t+Δt1+δ1；信号光子从所述的服务器到用户路径上消耗的时间记为δ2，T4＝T3-t+Δt2+δ2；其中由于路径相同，δ1＝δ2；根据计算得到用户与所述的服务器的时间差 $t=\frac{(T2-T1)-(T4-T3)+(\mathrm{\Δ}t2-\mathrm{\Δ}t1)}{2}.$

采用以上结构后，本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明一种量子网络中的时间同步方法由于用户和服务器记录的是光子发射和接收的时间，这在经典网络中相当于在物理层加盖时间戳，这就消除了计算机处理和协议封装(解封)开销等不可具体量化的时延，提高了时间同步的精度。通过记录中继站的时延消除了信号光子经过中继站时的时延不确定性，从而使用户通过量子网络经所述的中继站向所述的服务器发射的信号光子与所述的服务器经所述的中继站向用户发射的信号光子在来回路径上消耗的时间相同，提高了时间同步的精度。

用户通过量子网络向服务器发射信号光子并记录发射时间T1，服务器接收到信号光子并记录接收时间T2；然后服务器向用户发射信号光子并记录发射时间T3，用户接收到信号光子并记录接收时间T4，同时服务器通过经典网络把T2和T3的数值发送给用户，这里T1和T4是基于用户时间基准得到的时间，T2和T3是基于服务器时间基准得到的时间。

作为进一步地，所述的中继站的数目N＝0，Δt1＝0，Δt2＝0，用户与所述的服务器的时间差计算为没有中继站的情况下，用户与所述的服务器直接相连，无需考虑经过中继站的总时延，通过这些数值用户可以计算时间差用户与所述的服务器的时间差计算为并与服务器进行时间同步。

作为进一步地，所述的中继站的数目N＝1，用户通过量子网络经所述的中继站向所述的服务器发射信号光子，记所述的中继站接收信号光子并记录接收时间tt1，记所述的中继站发射信号光子并记录发射时间tt2，则Δt1＝tt2-tt1；所述的服务器通过量子网络经所述的中继站向用户发射信号光子，设所述的中继站接收信号光子并记录接收时间tt3，而所述的中继站发射信号光子并记录发射时间tt4，则Δt2＝tt4-tt3，用户与所述的服务器的时间差由于在经过中继站时会有一定的时延，所以需要对没有中继站的情况进行一定的修正，这里引入两个量Δt1和Δt2，分别代表信号光子从用户到服务器时经过中继站的时延和从服务器到用户时经过中继站的时延，用户通过量子网络经所述的中继站向所述的服务器发射信号光子，记所述的中继站接收信号光子并记录接收时间tt1，记所述的中继站发射信号光子并记录发射时间tt2，则Δt1＝tt2-tt1；所述的服务器通过量子网络经所述的中继站向用户发射信号光子，设所述的中继站接收信号光子并记录接收时间tt3，而所述的中继站发射信号光子并记录发射时间tt4，则Δt2＝tt4-tt3。T1、T2、T3和T4记录与无中继站时一致，这里T1和T4是基于用户时间基准得到的时间，T2和T3是基于服务器时间基准得到的时间，Δt1和Δt2是基于中继站时间基准得到的时间，通过这些数值用户可以计算时间差并与服务器进行时间同步。

作为进一步地，所述的中继站的数目N＞1，Δt1为信号光子从所述的服务器到用户时经过中继站的时延的累加，Δt2为信号光子从所述的服务器到用户时经过的所有的中继站的时延的累加，用户与所述的服务器的时间差所述的中继站的数目N＞1，需要对中继站的时延Δt1和Δt2进行修正，Δt1和Δt2变为所有中继站时延的累加，每个中继站把各自的时延通过经典网络发送给用户，用户对此进行累加得到信号光子从用户到服务器时经过中继站的时延总量Δt1和信号光子从服务器到用户时经过中继站时延总量Δt2，其他计算方式与一个中继站时一致，得到用户与所述的服务器的时间差并与服务器进行时间同步。

附图说明

图1为中继站的个数N＝0时的时间同步过程图。

图2为中继站的个数N＝1时的时间同步过程图。

图3为中继站的个数N＞1时的时间同步过程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明包括以下步骤

(1)用户通过量子网络直接或经中继站向服务器发射信号光子，并记录发射时间T1；

(2)所述的服务器接收到用户发送的信号光子，并记录接收时间T2；

(3)所述的服务器通过量子网络原路返回向用户发射信号光子，并记录发射时间T3；

(4)用户接收到所述的服务器发送的信号光子，并记录接收时间T4；

(5)所述的服务器通过经典网络把T2和T3的数值发送给用户；

(6)信号光子从所述的服务器到用户时经过中继站的总时延记为Δt1；

(7)信号光子从用户到所述的服务器时经过中继站的总时延记为Δt2；

(8)所述的中继站通过经典网络把Δt1和Δt2的数值发送给用户；

(9)将用户与所述的服务器之间的所述的中继站的数目记为N,N≥0；将用户与所述的服务器的时间差记为t，信号光子从用户到所述的服务器路径上消耗的时间记为δ1，得到公式T2＝T1+t+Δt1+δ1；信号光子从所述的服务器到用户路径上消耗的时间记为δ2，T4＝T3-t+Δt2+δ2；其中由于路径相同，δ1＝δ2；根据计算得到用户与所述的服务器的时间差 $t=\frac{(T2-T1)-(T4-T3)+(\mathrm{\Δ}t2-\mathrm{\Δ}t1)}{2}.$

量子通信是近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子力学和信息科学相结合的新的研究领域。基于量子特性而具有很多独特的信息功能，尤其在确保通信安全方面相比于经典信息系统具有巨大的优势。由于量子通信潜在的巨大应用价值以及科学意义，得到了各国政府、科技界和信息产业界的高度重视。基于量子通信本身的特性，把NTP协议时间同步的原理应用于量子网络，用户和服务器之间可以得到很高精度的时间同步。

如图1所示，对于没有中继站的情况，设用户与服务器的时间差为t，用户通过量子网络向服务器发射信号光子并记录发射时间T1，服务器接收到信号光子并记录接收时间T2，有

T2＝T1+t+δ1

其中δ1为信号光子在用户到所述的服务器路径上消耗的时间；然后所述的服务器向用户发射信号光子并记录发射时间T3，用户接收到信号光子并记录接收时间T4，有

T4＝T3-t+δ2

其中δ2为信号光子在所述的服务器到用户路径上消耗的时间，由于路径相同可以认为δ1与δ2是完全相同的；同时服务器通过经典网络把T2和T3的数值发送给用户，这里T1和T4是基于用户时间基准得到的时间，T2和T3是基于服务器时间基准得到的时间，通过这些数值用户可以计算时间差t：

$t=\frac{(T2-T1)-(T4-T3)}{2}$

由求得的t与服务器进行时间同步。

如图2所示，对于有一个中继站的情况，设用户与服务器的时间差为t，用户通过量子网络向服务器发射信号光子并记录发射时间T1，中继站接收信号光子并记录接收时间tt1，然后发射信号光子并记录发射时间tt2，服务器接收到中继站发射的信号光子并记录接收时间T2，有

T2＝T1+t+Δt1+δ1

Δt1＝tt2-tt1

其中δ1为信号光子在用户到服务器路径上消耗的时间，Δt1为信号光子从用户到服务器时经过中继站的时延；然后服务器向用户发射信号光子并记录发射时间T3，中继站接收信号光子并记录接收时间tt3，然后发射信号光子并记录发射时间tt4，用户接收到中继站发射的信号光子并记录接收时间T4，有

T4＝T3-t+Δt2+δ2

Δt2＝tt4-tt3

其中δ2为信号光子在服务器到用户路径上消耗的时间，由于路径相同可以认为δ1与δ2是完全相同的，Δt2为信号光子从服务器到用户时经过中继站的时延；同时服务器通过经典网络把T2和T3的数值发送给用户，中继站也把Δt1和Δt2的数值发送给用户，这里T1和T4是基于用户时间基准得到的时间，T2和T3是基于服务器时间基准得到的时间，Δt1和Δt2是基于中继站时间基准得到的时间，通过这些数值用户可以计算时间差t：

$t=\frac{(T2-T1)-(T4-T3)+(\mathrm{\Δ}t2-\mathrm{\Δ}t1)}{2}$

由求得的t与服务器进行时间同步。

如图3所示，对于含有多个中继站的情况，设用户与服务器的时间差为t，需要对中继站的时延Δt1和Δt2进行修正，Δt1和Δt2变为所有中继站时延的累加，每个中继站把各自的时延通过经典网络发送给用户，用户对此进行累加得到信号光子从用户到服务器时经过中继站的时延总量Δt1和从服务器到用户时经过中继站的时延总量Δt2，其他计算过程与一个中继站时一致，这里T1和T4是基于用户时间基准得到的时间，T2和T3是基于服务器时间基准得到的时间，Δt1和Δt2是基于中继站时间基准得到的时间和，具体计算过程如下：

T2＝T1+t+Δt1+δ1

Δt1＝Δt1_中继站1+Δt1_中继站2+…+Δt1_中继站n

T4＝T3-t+Δt2+δ2

Δt2＝Δt2_中继站1+Δt2_中继站2+…+Δt2_中继站n

$t=\frac{(T2-T1)-(T4-T3)+(\mathrm{\Δ}t2-\mathrm{\Δ}t1)}{2}$

其中δ1为信号光子在用户到服务器路径上消耗的时间，δ2为信号光子在服务器到用户路径上消耗的时间。Δt1_中继站1表示经过第一个中继站的时延，Δt1_中继站2表示经过第二个中继站的时延，以此类推，Δt1_中继站n表示经过第n个中继站的时延，n为自然数。

以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅限于以上实施例，凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种量子网络中的时间同步方法，其特征在于：包括以下步骤

(1)用户通过量子网络直接或经中继站向服务器发射信号光子，并记录发射时间T1；

(2)所述的服务器接收到用户发送的信号光子，并记录接收时间T2；

(3)所述的服务器通过量子网络原路返回向用户发射信号光子，并记录发射时间T3；

(4)用户接收到所述的服务器发送的信号光子，并记录接收时间T4；

(5)所述的服务器通过经典网络把T2和T3的数值发送给用户；

(6)信号光子从所述的服务器到用户时经过中继站的总时延记为Δt1；

(7)信号光子从用户到所述的服务器时经过中继站的总时延记为Δt2；

(8)所述的中继站通过经典网络把Δt1和Δt2的数值发送给用户；

(9)将用户与所述的服务器之间的所述的中继站的数目记为N,N≥0；将用户与所述的服务器的时间差记为t，信号光子从用户到所述的服务器路径上消耗的时间记为δ1，得到公式T2＝T1+t+Δt1+δ1；信号光子从所述的服务器到用户路径上消耗的时间记为δ2，T4＝T3-t+Δt2+δ2；其中由于路径相同，δ1＝δ2；根据计算得到用户与所述的服务器的时间差 $t=\frac{(T2-T1)-(T4-T3)+(\mathrm{\Δ}t2-\mathrm{\Δ}t1)}{2}.$

2.根据权利要求1所述的一种量子网络中的时间同步方法，其特征在于：所述的中继站的数目N＝0，Δt1＝0，Δt2＝0，用户与所述的服务器的时间差计算为 $t=\frac{(T2-T1)-(T4-T3)}{2}.$

3.根据权利要求1所述的一种量子网络中的时间同步方法，其特征在于：所述的中继站的数目N＝1，用户通过量子网络经所述的中继站向所述的服务器发射信号光子，记所述的中继站接收信号光子并记录接收时间tt1，记所述的中继站发射信号光子并记录发射时间tt2，则Δt1＝tt2-tt1；所述的服务器通过量子网络经所述的中继站向用户发射信号光子，设所述的中继站接收信号光子并记录接收时间tt3，而所述的中继站发射信号光子并记录发射时间tt4，则Δt2＝tt4-tt3，用户与所述的服务器的时间差

4.根据权利要求1所述的一种量子网络中的时间同步方法，其特征在于：所述的中继站的数目N＞1，Δt1为信号光子从所述的服务器到用户时经过中继站的时延的累加，Δt2为信号光子从所述的服务器到用户时经过的所有的中继站的时延的累加，用户与所述的服务器的时间差