CN106716915A - 信息通信系统、信息通信方法和设备 - Google Patents

Abstract

为了在彼此之间传送信息的通信设备之间分发处理负荷，这一信息通信系统被提供有第一传送路径和第二传送路径，信息经由第一传送路径从第一通信设备被传送给第二通信设备，信息经由第二传送路径以与信息经由第一传送路径被传送的方向相反的方向被传送。传输信息的子集被接收作为第一传送路径和第二传送路径二者中的接收信息。

Description

信息通信系统、信息通信方法和设备

技术领域

本发明涉及在通信设备之间传输和接收信息的信息通信系统、信息通信方法和设备。

背景技术

在通信设备之间的数据传输中，并非从传输侧传输的所有信息在接收侧被接收。例如，已知由于网络的负载状态等而发生分组丢失，并且此外，存在如下通信系统，在该通信系统中仅一部分传输的数据到达作为传输系统的特性的接收机，该传输系统包括发射机、接收机和连接它们的信道。作为这样的通信系统的示例，将简要描述量子密钥分发(QKD)系统。

有必要在传输端和接收端之间共享作为秘密信息的、对于信息的加密和解密所需的共享密钥，并且QKD技术被认为是有望作为生成和共享这样的秘密信息的技术。根据QKD技术，与传统光通信相反，可以通过传输每比特的光子数等于1或更少的随机数来在发射机和接收机之间生成和共享公共密钥。QKD技术具有基于一次观测的光子不能在观测之前完全返回到量子态的量子力学的原理的安全性，而不是基于传统计算复杂性的安全性。

在QKD技术中，有必要在生成用于密码通信的加密密钥之前执行若干步骤。在下文中，将参照图1来描述典型加密密钥的生成过程。

如图1中所示，在单光子传输中，如上所述，通过每比特的光子数等于1或更少的弱光脉冲序列、通过量子信道来传输随机数。作为QKD方法，例如，使用四量子态的BB84法是广为人知的(非专利文献1)。当发射机通过单个光子传输来传输原始随机数时，其大部分由于传输线的损耗等而丢失；并且可以由接收机接收的比特变为传输的比特的非常小的部分，这被称为原始密钥。例如，可以由接收器接收的数据量大约是传输的数据量的1/1000。

随后，使用具有正常光强度的通信信道(传统信道)，对接收到的由于量子信道传输而已经丢失大量所传输的随机数的原始密码执行基础调和、纠错和隐私放大处理。在基本调和、纠错和隐私放大处理的每个步骤中，执行比特消除以消除向另一侧公开的比特和窃听的可能性。因此，在其中大部分传输数据在传输信道中丢失并且在随后的过程中执行数据消除的传输系统中，最终获得的接收的数据量与传输的数据量相比变得非常小。

[引用列表]

[非专利文献]

“QUANTUM CRYPTOGRAPHY,PUBLIC KEY DISTRIBUTION AND COIN TOSSING”IEEEInt.Conf.on Computers,Systems,and Signal Processing,Bangalore,India,1984年12月10-12日,第175-179页,Bennett,Brassard.

发明内容

[技术问题]

如上所述，在其中大部分传输数据丢失的传输系统中，出现了新的问题，即处理效率下降，这是因为对于在处理传输数据的传输端和处理接收的数据的接收端之间要处理器的数据量出现了很大的不平衡，以及因为传输端的处理负荷变得更大。

本发明的目的是提供一种能够实现在执行信息传输的通信设备之间的处理负荷的分散的信息通信系统、信息通信方法和设备。

根据本发明的示例性方面的一种信息通信系统，一种用于在通信设备之间传输和接收信息的信息通信系统，包括：第一传输系统，其被配置为在从第一通信设备向第二通信设备的方向上传输信息；以及第二传输系统，其被配置为在与第一传输系统的该方向相反的方向上传输信息，其中传输信息的部分被接收作为第一传输系统和第二传输系统中的每个中的接收的信息。

根据本发明的示例性方面的一种通信设备，一种用于向另一通信设备传输信息和从另一通信设备接收信息的通信设备，包括：传输装置，用于通过第一传输线向该另一通信设备传输信息；以及接收装置，用于通过第二传输线从该另一通信装置接收信息，其中传输信息的部分被接收作为第一传输线和第二传输线中的每个中的接收的信息。

根据本发明的示例性方面的一种信息通信方法，一种用于在通信设备之间传输和接收信息的信息通信方法，包括：通过使用第一传输系统和第二传输系统，在第一通信设备和第二通信设备中的每个处传输和接收信息，第一传输系统和第二传输系统具有彼此相反的传输方向；以及接收传输信息的部分作为第一传输系统和第二传输系统中的每个中的接收的信息。

根据本发明，可以分散通信设备之间的处理负荷。

附图说明

[图1]图1是用于图示量子密钥分发(QKD)系统中的信息处理步骤的示意图。

[图2]图2是图示了根据本发明的第一示例实施例的信息通信系统的示意性配置的框图。

[图3]图3是图示了根据本发明的第二示例实施例的信息通信系统的配置示例的框图。

[图4]图4是图示了根据本发明的第三示例实施例的信息通信系统的配置示例的框图。

具体实施方式

根据本发明的示例实施例，当传输信息的部分被接收作为被设置在通信设备之间的传输系统中的接收的信息时，通过提供具有彼此相反的传输方向的一对传输系统，变得可以分散通信设备之间的处理负荷。在每个通信设备中，如果使用传输信息的预定处理和使用接收信息的预定处理被执行，则可以在通信设备之间实现处理负荷的均衡，并且可以获得足够的信息生成效率。由于发射机和接收器二者被提供在每个通信设备中，所以传输数据可以由自身设备中的接收器接收，并且可以调整每个通信设备中的发射机的参数。下面将使用附图详细描述本发明的示例实施例。附图中的箭头的方向指示作为示例的方向，并且并不限制块之间的信号的方向。

1.第一示例实施例

如图2中所示，在根据本发明的第一示例实施例的信息通信系统中，第一通信设备10和第二通信设备20通过第一传输系统31和第二传输系统32在彼此相反的方向上执行信息传输。第一传输系统31执行从第一通信设备10到第二通信设备20的单向传输，并且包括第一通信设备10的发射机101，第二通信设备20的接收机201以及连接发射机101和接收机201的第一传输线33。第二传输系统32在与第一传输系统31的方向相反的方向上执行单向传输，并且包括第一通信设备10的接收机102，第二通信设备20的发射机202以及连接发射机202和接收机102的第二传输线34。

第一通信设备10包括发射机101、接收机102和数据处理器103。数据处理器103接收在发射机101上的传输信息TD1和由接收机102接收的、来自第二通信设备20的接收的信息RD2的输入，并且分别对信息执行预定的数据处理。第二通信设备20包括接收机201、发射机202和数据处理器203。数据处理器203接收在发射机202上的传输信息TD2和由接收机201接收的、来自第一通信设备10的接收的信息RD1的输入，并且分别该信息执行预定的数据处理。例如，第一通信设备10的数据处理器103和第二通信设备20的数据处理器203可以执行相同的信息处理并且生成类似种类的信息。

第一传输系统31在从第一通信设备10向第二通信设备20的方向上传输信息，并且具有接收的信息量变得小于传输信息量的特性。也就是说，从发射机101传输的传输信息TD1在第一传输线路33和/或接收机201中部分丢失，并且传输信息TD1的仅部分由接收机201接收作为接收的信息RD1。

第二传输系统32与第一传输系统31相反地在从第二通信设备20向第一通信设备10的方向上传输信息，并且具有接收的信息量变得小于传输信息量的特性，如与第一传输系统31的情况相同。也就是说，从发射机202传输的传输信息TD2通过第二传输线34被传输并由接收机102接收。在这种情况下，传输信息TD2在第二传输线路34和/或接收器102中部分丢失，并且传输信息TD2的仅部分由接收机102接收作为接收的信息RD2。

因此，数据处理器103接收具有大数据量的传输信息TD1和具有相对小数据量的接收的信息RD2的输入，并且执行处理，并且类似地，数据处理器203接收具有大数据量的传输信息TD2和具有相对小数据量的接收的信息RD1的输入，并且执行处理。如果第一传输系统31和32具有类似的传输特性，并且数据处理器103和203执行相同的信息处理，则变得可以减少关于第一通信设备10和第二通信设备20之间的数据处理的负荷的不平衡。

如上所述，根据本示例实施例，变得可以通过设置一对传输系统31和32来分散通信设备之间的处理负荷，传输系统31和32中的每个传输系统在彼此相反的方向上传输。也就是说，因为可以在通信设备之间均衡处理负荷，所以可以有效地利用处理能力。因为每个通信设备可以通过处理传输信息和接收的信息二者来生成信息，所以可以有效地生成期望的信息。

2.第二示例实施例

如图3中所示，根据本发明的第二示例实施例的信息通信系统是其中将上述第一示例实施例应用于QKD系统的系统。

在图3中，通信设备A和通信设备B使用量子信道传输系统Q1和量子信道传输系统Q2来在彼此相反的方向上传输由随机数信息调制的单个光子脉冲序列。量子信道传输系统Q1包括通信设备A的发射机301，通信设备B的接收机401，连接发射机301和接收机401的传输线(量子信道)。量子信道传输系统Q2包括通信设备B的发射机402，通信设备A的接收机302以及连接发射机402和接收机302的传输线(量子信道)。在本示例实施例中，量子信道传输系统Q1和Q2的相应的传输线可以由物理上彼此不同的光纤构成，或者可以在同一光纤中被波长复用。

通信设备A和通信设备B使用传统信道传输系统C以具有正常水平的光强度执行光通信。传统信道传输系统C包括通信设备A的光通信单元304，通信设备B的光通信单元404和连接光通信单元304和光通信单元404的传输线(传统信道)。除了同步处理之外，通信设备A和通信设备B还使用传统信道传输系统C来执行如上所述的与其他通信设备的基础调和、纠错和隐私放大处理。传统信道传输系统C中的传统信道可以通过在与包括量子信道传输系统Q1和Q2的相同的光纤中的波长复用而被提供。备选地，可以在另一光纤中提供用于同步处理的同步信道。

传统信道传输系统C的传统信道可以是通过电信号的电通信路径，而不是光通信。在这种情况下，仅必须用传输和接收电信号的通信单元来替换光通信单元304和404。

通信设备A包括发射机301、接收机302、加密密钥生成单元303、光通信单元304和控制单元305。加密密钥生成单元303对应于第一示例实施例中的数据处理器103。加密密钥生成单元303接收发射机301上的传输信息(原始随机数)TD1和由接收机302从通信设备B接收的接收的信息RD2的输入。然后，加密密钥生成单元303通过执行通过光通信单元304与通信设备B的基础调和、纠错和隐私放大处理来生成加密密钥，如上所述。控制单元305控制通信设备A的整体操作。

通信设备B的基本配置类似于通信设备A的基本配置。也就是说，通信设备B包括接收机401、发射机402、加密密钥生成单元403、光通信单元404和控制单元405。加密密钥生成单元403对应于第一示例实施例中的数据处理器203。加密密钥生成单元403接收发射机402上的传输信息(原始随机数)TD2和由接收机401从通信设备A接收的接收的信息RD1的输入。然后，加密密钥生成单元403通过执行通过光通信单元404与通信设备A的基础调和、纠错和隐私放大处理来生成加密密钥，如上所述。控制单元405控制通信设备B的整体操作。

在量子信道传输系统Q1中，通信设备A的发射机301将传输信息(原始随机数比特信息)TD1放置在每比特的光子数等于1或更少的非常弱的光脉冲序列上，并且通过量子信道将其传输给通信设备B的接收机401。传输中的弱光脉冲序列在传输线的中间丢失，并且仅有它的部分到达接收机401。接收机401将检测到的数据输出给加密密钥生成单元403作为接收的信息RD1。如上所述，例如，接收的信息RD1的信息量降低到传输信息TD1的信息量的大约1/1000。

在量子信道传输系统Q2中，通信设备B的发射机402将传输信息(原始随机数比特信息)TD2放置在每比特的光子数等于1或更少的非常弱的光脉冲序列上，并且通过量子信道将其传输给通信设备A的接收机302。在这种情况下，其传输方向与量子信道传输系统Q1的传输方向相反。传输中的弱光脉冲序列在传输线的中间丢失，并且仅有它的部分到达接收机302。接收机302将检测到的数据输出给加密密钥生成单元303作为接收的信息RD2。假设与量子信道传输系统Q1的情况一样，接收的信息RD2的信息量也降低到与传输信息TD2的信息量相同的水平(大约1/1000)。

加密密钥生成单元303接收具有大数据量的传输信息TD1和具有非常小的数据量的接收的信息RD2的输入。加密密钥生成单元303可以通过经由传统信道传输系统C对另一通信设备B中的传输信息TD1和接收的信息RD1执行基础调和、纠错和隐私放大处理来生成第一加密密钥。类似地，加密密钥生成单元403也接收具有大数据量的传输信息TD2和具有非常小的数据量的接收的信息RD1的输入。加密密钥生成单元403可以通过经由传统信道传输系统C对另一通信设备A中的传输信息TD2和接收的信息RD2执行基础调和、纠错和隐私放大处理来生成第二加密密钥。因为信息量衰减在具有彼此相反的传输方向的一对量子信道传输系统Q1和Q2中的每个中均等地出现，所以相同水平的信息量被处理；因此，可以在加密密钥生成单元303和403之间实现处理负荷的均衡。

3.第三示例实施例

根据本发明第三示例实施例的信息通信系统是通过向根据上述第二示例实施例的每个通信设备添加自诊断功能而被获得的系统。具体地，增加了改变传输光的路径的光路由切换功能和传输参数调整功能以便在参数调整模式时将传输光输入到自身的设备中的接收器中。

通常，为了调整诸如传输上述弱光脉冲的发射机的传输光强度等参数，需要接收弱光脉冲的接收机。由于弱光是每比特一个或更少光子的非常弱的光，所以需要能够检测单个光子的检测器；因此，通常使用雪崩光电二极管。因此，使用其它通信设备中的接收机来执行参数调整。

然而，在传输路径上可能存在窃听器，并且如果在参数调整期间窃听器干预，则存在损害QKD的安全性的威胁。另外，由于单个光子检测器非常昂贵，因此仅仅为了参数调整而安装接收机是不合理的。

根据本示例实施例，因为提供了用于在相反方向上传输的一对量子信道传输系统Q1和Q2，所以每个通信设备具有用于量子信道的发射机和接收机。因此，可以将这一接收机用作用于参数调整的单个光子接收机。下面将参照图4来描述本示例实施例。在图4中，未示出被包括在根据上述第二示例实施例的通信设备中的加密密钥生成单元和光通信单元。

如图4中所示，根据本示例实施例的通信设备A包括分别在发射机301的输出侧的光开关311和在接收机302的接收侧的光开关312。此外，通信设备A包括使用接收机302的检测到的数据来调整诸如发射机301的传输光强度的参数的参数调整单元313。控制单元305控制光开关311和312的切换操作以及参数调整单元313的调整操作。类似地，根据本示例实施例的通信设备B包括分别在发射机402的输出侧的光开关412和在接收机401的接收侧的光开关411。此外，通信设备B包括使用接收机401的检测到的数据来调整诸如发射机402的传输光强度的参数的参数调整单元413。控制单元405控制光开关411和412的切换操作和参数调整单元413的调整操作。

通信设备A中的光开关311包括输入端口Pi、输出端口Pol和Po2，并且光开关312包括输入端口Pil、Pi2和输出端口Po。分别地，光开关311的输入端口Pi被光学连接到发射机301的输出，输出端口Pol被光学连接到上述量子信道传输系统Q1，并且输出端口Po2被光学连接到光开关312的输入端口Pi2。分别地，光开关312的输出端口Po被光学连接到接收机302的输入，输入端口Pil被光学连接到上述量子信道传输系统Q2，并且输入端口Pi2被光学连接到光开关311的输出端口Po2。

在正常操作状态下，控制单元305设置光开关311和光开关312，从而使得光开关311的输入端口Pi和输出端口Pol可以被连接，并且光开关312的输入端口Pil和输出端口Po可以被连接。因此，如上所述，通过量子信道传输系统Q1和Q2来执行用于加密密钥生成的操作。

在参数调整时，控制单元305设置光开关311和光开关312，从而使得光开关311的输入端口Pi和输出端口Po2可以被连接，并且光开关312的输入端口Pi2和输出端口Po可以被连接。因此，从发射机301输出的弱光信号通过光开关311的输出端口Po2以及光开关312的输入端口Pi2和输出端口Po被输入到接收机302中。这使得参数调整单元313能够使用接收机302的检测到的数据来调整诸如发射机301的传输光强度的参数。在通信设备B中，光开关411和412被配置和操作如上；因此，省略对它们的描述。

如上所述，根据本示例实施例，在每个通信设备中包括光开关作为用于在自身的设备中将传输光从发射机返回到接收机的光路由切换装置。在参数调整模式时，控制单元可以通过切换光开关来完成自身的设备中的参数调整，从而使得传输光可以被输入到自身的设备中的接收机中；因此，可以在不损害QKD的安全性的情况下执行发射机的参数调整。

在上述第一至第三示例实施例中，已经示出了具有彼此相反的传输方向的一对传输系统，但是本发明不限于这些示例实施例，并且可以使用具有多对传输系统的通信系统。

已经使用上述示例性实施例作为示例性示例而描述了本发明。然而，本发明不限于上述示例性实施例。也就是说，在本发明中，本领域技术人员可以理解的各种方面可以在本发明的范围内被应用。

本申请基于并要求于2014年8月25日提交的日本专利申请No.2004-170087的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。

[工业适用性]

本发明一般地适用于其中通过各自具有预定传输方向的多个传输系统执行信息传输的信息通信系统。

[标号列表]

10 第一通信设备

20 第二通信设备

31 第一传输系统

32 第二传输系统

33 第一传输线

34 第二传输线

101 发射机

102 接收机

103 数据处理器

201 接收机

202 发射机

203 数据处理器

301 发射机

302 接收机

303 加密密钥生成单元

304 光通信单元

305 控制单元

311、312 光开关

313 参数调整单元

401 接收机

402 发射机

403 加密密钥生成单元

404 光通信单元

405 控制单元

411、412 光开关

413 参数调整单元

Claims (15)

1.一种信息通信系统，包括：

第一传输系统，所述第一传输系统被配置为在从第一通信设备向第二通信设备的方向上传输信息；以及

第二传输系统，所述第二传输系统被配置为在与所述第一传输系统的所述方向相反的方向上传输信息，

其中传输信息的部分被接收作为所述第一传输系统和所述第二传输系统中的每个中的接收的信息。

2.根据权利要求1所述的信息通信系统，

其中所述第一通信设备和所述第二通信设备中的每个包括信息处理装置，所述信息处理装置用于使用从它自身的设备传输的传输信息和从另一通信设备接收的接收的信息来执行信息处理。

3.根据权利要求1或2所述的信息通信系统，

其中所述第一通信设备和所述第二通信设备中的每个包括

发射机，所述发射机被配置为向另一通信设备传输传输信息，

接收机，所述接收机被配置为从所述另一通信设备接收接收的信息，

切换装置，所述切换装置用于在所述发射机的参数调整时，将从所述发射机输出的传输信号折回，并且使所述传输信号被输入给所述接收机，以及

参数调整装置，所述参数调整装置用于基于已经接收了被折回的所述信号的所述接收机的接收的信号来调整所述发射机的传输参数。

4.一种通信设备，包括：

传输装置，所述传输装置用于通过第一传输线向另一通信设备传输信息；以及

接收装置，所述接收装置用于通过第二传输线从所述另一通信设备接收信息，

其中，传输信息的部分被接收作为所述第一传输线和所述第二传输线中的每个中的接收的信息。

5.根据权利要求4所述的通信设备，还包括：

信息处理装置，所述信息处理装置用于使用由所述传输装置传输的所述传输信息和从所述另一通信设备接收的所述接收的信息来执行信息处理。

6.根据权利要求4或5所述的通信设备，还包括：

切换装置，所述切换装置用于在所述传输装置的参数调整时，将从所述传输装置输出的传输信号折回，并且使所述传输信号被输入给所述接收设备，以及

参数调整装置，所述参数调整装置用于基于已经接收了被折回的所述信号的所述接收装置的接收的信号来调整所述传输装置的传输参数。

7.一种信息通信方法，包括：

通过使用第一传输系统和第二传输系统来在第一通信设备和第二通信设备中的每个处传输和接收信息，所述第一传输系统和所述第二传输系统具有彼此相反的传输方向；以及

接收传输信息的部分作为所述第一传输系统和所述第二传输系统中的每个中的接收的信息。

8.根据权利要求7所述的信息通信方法，

其中所述第一通信设备和所述第二通信设备中的每个使用从它自身的设备传输的传输信息和从另一通信设备接收的接收的信息来执行信息处理。

9.根据权利要求7或8所述的信息通信方法，还包括：

在所述第一通信设备和所述第二通信设备中的每个中，在向另一通信设备传输传输信息的发射机的参数调整时，折回从所述发射机输出的传输信号，并且使所述传输信号被输入给从所述另一通信设备接收的接收的信息的接收机，以及

基于已经接收了被折回的所述信号的所述接收机的接收的信号来调整所述发射机的传输参数。

10.一种信息通信方法，包括：

由传输装置通过第一传输线向另一通信设备传输信息；以及

由接收装置通过第二传输线从所述另一通信设备接收信息，

其中传输信息的部分被接收作为接收的信息，所述传输信息由所述第一传输线和所述第二传输线中的每个传输。

11.根据权利要求10所述的信息通信方法，

其中信息处理使用由所述传输装置传输的传输信息和从所述另一通信设备接收的接收的信息而被执行。

12.根据权利要求10或11所述的信息通信方法，

其中，在所述传输装置的参数调整时，从所述传输装置输出的传输信号被折回以使所述传输信号被输入给所述接收装置，并且

所述传输装置的传输参数基于已经接收了被折回的所述信号的所述接收装置的接收的信号而被调整。

13.一种信息通信系统，包括：

第一传输系统，所述第一传输系统被配置为在从第一通信设备向第二通信设备的方向上传输第一随机数信息；以及

第二传输系统，所述第二传输系统被配置为在与所述第一传输系统的所述方向相反的方向上传输第二随机数信息，

其中在所述第一传输系统和所述第二传输系统中的每个中，传输的传输随机数信息的部分被接收作为接收的随机数信息。

14.根据权利要求13所述的信息通信系统，

其中所述第一通信设备和所述第二通信设备中的每个包括加密密钥生成装置，所述加密密钥生成装置用于使用由它自身的设备传输的所述传输随机数信息和从另一个通信设备接收的所述接收的随机数信息来生成加密密钥。

15.根据权利要求13或14所述的信息通信系统，

其中所述第一通信设备和所述第二通信设备中的每个包括

发射机，所述发射机被配置为向另一通信设备传输传输随机数信息，

接收机，所述接收机被配置为从所述另一通信设备接收接收的随机数信息，

切换装置，所述切换装置用于在所述发射机的参数调整时，将从所述发射机输出的传输信号折回，并且使所述传输信号被输入给所述接收机，以及

参数调整装置，所述参数调整装置用于基于已经接收了被折回的所述信号的所述接收机的接收的信号来调整所述发射机的传输参数。