CN115276802B - 一种基于多芯光纤量子光传输系统中的纤芯按需分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多芯光纤量子光传输系统中的纤芯按需分配方法，本方法适用于量子密钥分发与经典光信号的融合传输系统中，对于纤芯呈正六边形分布的多芯光纤均适用。本方法设计主要针对低纤芯需求和高纤芯需求两个应用场景，将多芯光纤的纤芯分为经典纤芯、量子纤芯以及混合纤芯三种类型，以最大化经典和量子纤芯距离为目标，旨在降低经典信号对量子信号的芯间噪声干扰。本发明提出的基于多芯光纤量子安全光网络中的纤芯资源分配方法具有噪声抑制、灵活性强以及扩展性强等优势，为量子密钥分发技术奠定应用基础。

Description

一种基于多芯光纤量子光传输系统中的纤芯按需分配方法
技术领域
本专利涉及量子通信领域，尤其涉及基于空分复用的量子密钥分发光传输系统。本专利为基于多芯光纤的量子密钥分发光网络提供了纤芯资源分配方法，该方法具有噪声抑制、灵活性强以及扩展性强等优势，可促进量子密钥分发技术的发展与应用。
背景技术
量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)基于量子力学的基本原理确保遥远的双方产生安全密钥，保证信息理论的安全性。近年来，QKD在安全传输距离的扩展以及密钥率的提升等方面均取得了进步，同时为提高传输容量以及降低光纤部署成本，QKD与经典光网络融合传输是一个重要的发展趋势。
经典信号和量子信号在同一根单芯光纤中传输时，微弱的量子信号(通常低于-80dBm)易受到高功率经典信号(约0dBm)产生噪声的干扰，例如自发拉曼散射噪声和四波混频噪声。为进一步扩展光纤的传输容量，基于空分复用技术的弱耦合多芯光纤(MulticoreFiber,MCF)被广泛采用。然而，MCF扩展传输容量的同时，也会引入新的噪声，如芯间串扰(Intercore Crosstalk,ICXT)噪声。ICXT噪声的功率量级约为-40dB/10km，严重影响了QKD的系统性能。此外，单芯光纤中的自发拉曼散射噪声和四波混频噪声也会在相邻纤芯产生芯间自发拉曼散射噪声和芯间四波混频噪声。因此，QKD受到严重的噪声干扰是基于多芯光纤量子密钥分发光传输系统面临的主要挑战之一。
在多芯光纤纤芯资源分配方案的研究中，为抑制噪声干扰，目前主要集中在经典光通信的场景中，重点考虑经典信号受到的芯间噪声干扰，对经典量子融合传输网络不再适用。然而，对经典量子融合传输的纤芯分配方案研究较少，并且目前考虑的多芯光纤芯数较少，为更多芯数的MCF分配纤芯时的灵活性和扩展性差。因此，现有纤芯资源分配方案的不完善且扩展性差是基于多芯光纤量子密钥分发光传输系统面临的主要挑战之二。
综上所述，如何设计一种有效噪声抑制，灵活性强和扩展性强的纤芯资源分配方案是基于多芯光纤的经典量子融合传输系统亟需解决的问题。
发明内容
本专利针对基于多芯光纤的经典信号和量子信号融合传输这一应用场景，提出了一种基于多芯光纤量子光传输系统中的纤芯按需分配方法，本方法适合纤芯呈正六边形分布的任意芯数的多芯光纤。主要以如何抑制QKD系统所受噪声，以及增强方案的灵活性和可扩展性为目标。包含两个技术要点：1、提出了一种面向低纤芯需求场景的经典量子信号独立纤芯传输的纤芯资源分配方案；2、提出了一种面向高纤芯需求场景的经典量子信号混合纤芯传输的纤芯资源分配方案。
针对所述的第一个技术要点具体说明如下：
提出了一种面向低纤芯需求场景的经典量子信号独立纤芯传输的纤芯资源分配方案；低纤芯需求场景在本专利的含义为所需要的经典纤芯数目X与需要的量子纤芯数目Y之和不大于多芯光纤的芯数N，即X+Y≤N；本方案的主要思想为尽可能增加经典纤芯和量子纤芯的距离，减小芯间噪声的干扰；该纤芯分配方案共分为4个步骤：
步骤一：在待分配的正六边形N芯光纤中，任意选择正六边形顶点处的6个纤芯之一，编号为芯1；沿芯1的最外侧做切线，并向下平移，使其穿过芯1的圆心，将其命名为优先级分组线；将优先级分组线向下平移，使其首次同时穿过多个纤芯圆心时为止，此时将其称为第二条优先级分组线，按照第二条优先级分组线的划分方式，以此类推进行划分，直至优先级分组线穿过最后1个纤芯为止，所有优先级分组线划分结束；
步骤二：纤芯标号；每一条优先级分组线上的纤芯编号连续，且编号优先级顺序为：左侧＞右侧＞中间；
步骤三：设相邻纤芯间距为Λ，且芯间噪声只考虑Λ，以及2Λ三类纤芯间距的情况，经典纤芯和量子纤芯间距大于2Λ时，经典信号对量子信号的噪声影响忽略；分配量子纤芯；按照编号由大到小的顺序分配量子纤芯；
步骤四：分配经典纤芯；从编号小的纤芯开始，按照编号升序，对于每一个待分配的纤芯，如果该纤芯与最近的量子纤芯的距离大于2Λ，按照纤芯编号升序分配经典纤芯；如果待分配纤芯与最近的量子纤芯的距离不大于2Λ，按照最大化经典纤芯和量子纤芯距离Di为原则分配经典纤芯；如果Di相等，则按照纤芯编号升序分配经典纤芯；
Dij表示第i个经典纤芯和第j个量子纤芯的距离；Di表示第i个经典纤芯和Y个量子纤芯的距离和。
针对所述的第二个技术要点具体说明如下：
提出了一种面向高纤芯需求场景的经典量子信号混合纤芯传输的纤芯资源分配方案；高需求场景在本专利的含义为所需要的经典纤芯数目X与需要的量子纤芯数目Y之和大于多芯光纤的芯数N，即X+Y>N；
该纤芯分配方案基于低需求场景方案进行，此时Y个量子纤芯已经分配结束，需要分配剩余的X+Y-N个经典纤芯，因此需要覆盖部分或全部量子纤芯为经典量子混合纤芯；从编号小的量子纤芯开始，以最大化经典纤芯和量子纤芯的距离Di为原则覆盖量子纤芯为经典量子混合纤芯；如果Di相等，则以编号最小为原则。
本专利所述方法可以应用于量子信号与经典信号共纤传输的多芯光纤量子光传输系统中，具有噪声抑制、需求灵活以及扩展性强等优势。本方法为提高量子安全光网络的传输容量以及提高其空间资源利用率奠定基础，同时也有助于促进量子密钥分发与经典光网络融合传输的应用进程。
附图说明
图1为37芯多芯光纤的截面图，其纤芯排布为正六边形。
图2为本方法所述的两种纤芯资源分配方案示意图，包括低纤芯需求场景和高纤芯需求场景中的方案。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方法及优点更加清楚明白，以下结合附图1、附图2及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本专利提出的经典量子信号共多芯传输的纤芯资源分配方法中，多芯光纤可以为如附图1中所示的37芯光纤，即N＝37，纤芯横截面排布为正六边形。在低纤芯需求的场景中，假设经典纤芯的需求数目为26，量子纤芯的需求数目为2，即X＝26，Y＝2。在高需求的场景中，假设经典纤芯的需求数目为37，量子纤芯的需求数目为2，即X＝37，Y＝2。
低纤芯需求场景中采取经典信号和量子信号独立型传输的方案，方案过程如附图2所示。
首先，选择附图1中满足截面呈正六边形的37芯光纤左上角纤芯为芯1，沿芯1的最外侧做切线，并向下平移，使其穿过芯1的圆心，将其命名为优先级分组线。将优先级分组线向下平移，使其同时穿过2个纤芯圆心时为止，此时将其称为第二条优先级分组线……以此类推，直至优先级分组线穿过37芯光纤截面图中右下角的1个纤芯为止，所有优先级分组线划分结束。发明内容中步骤一至步骤三执行结束，如附图2(a)所示。
其次，根据优先级分组线为纤芯编号，每一条优先级分组线上的纤芯编号连续，且左侧优先级大于右侧，中间优先级最小。依次编号1,2…37，如附图2(b)所示。
然后，分配2个量子纤芯。按照编号由大到小的原则，因此分配37和36纤芯传输量子信号，如附图2(c)所示。
随后，为低纤芯需求场景分配26个经典纤芯，1号纤芯至20号纤芯距离36和37号纤芯的距离均大于2Λ，因此按照纤芯编号由小到大的顺序将1号纤芯至20号纤芯分配为经典纤芯，如附图2(d)所示。21号、22号以及23号纤芯距离36和37号纤芯的距离也大于2Λ，因此继续分配21号、22号以及23号纤芯为经典纤芯。24号纤芯和36号纤芯的距离等于2Λ，但是25以及28号纤芯距离36和37号纤芯的距离大于2Λ，按照距离最远原则，即优先分配25以及28号纤芯为经典纤芯。低纤芯需求场景中的26个经典纤芯分配结束，如附图2(e)所示。
最后，为高纤芯需求场景分配37个经典纤芯。按照低需求场景中的步骤，继续分配，直至35个经典纤芯分配结束，如附图2(f)所示。接下来需要将36号纤芯和37号纤芯覆盖为经典量子信号混合纤芯，根据经典量子距离最大化原则，36和37优先级相等，因此按照编号最小为原则，首先分配36号纤芯为混合纤芯，如附图2(g)所示，其次分配37号纤芯为混合纤芯，如附图2(h)所示，高纤芯需求场景中的37个经典纤芯分配结束。
通过以上实施例可以看出，本专利提出的纤芯资源的分配方法具有噪声抑制、需求灵活以及扩展性强等优势。

Claims (1)

1.一种基于多芯光纤量子光传输系统中的纤芯按需分配方法，适合纤芯呈正六边形分布的任意芯数的多芯光纤，根据对纤芯数目的需求，其特征在于，主要分为两类：
A、面向低纤芯需求场景的经典量子信号独立纤芯传输的纤芯分配方案，所需要的经典纤芯数目X与需要的量子纤芯数目Y之和不大于多芯光纤的芯数N，即X+Y≤N，经典信号和量子信号不可以在相同纤芯传输，步骤包括：
S1、优先级分组线划分；选择正六边形多芯光纤任意顶点处的6个纤芯之一为纤芯1，沿芯1的最外侧做切线，并向下平移，使其穿过芯1的圆心，将其命名为优先级分组线，将优先级分组线向下平移，使其首次同时穿过多个纤芯圆心时为止，此时将其称为第二条优先级分组线，按照第二条优先级分组线的划分方式，以此类推进行划分，直至所有优先级分组线划分结束；
S2、纤芯编号；根据优先级分组线为纤芯编号，每一条优先级分组线上的纤芯编号连续，且左侧优先级高于右侧优先级，中间优先级最低；
S3、量子纤芯分配；设相邻纤芯间距为Λ，经典纤芯和量子纤芯间距大于2Λ时，经典信号对量子信号的噪声影响忽略，分配量子纤芯，按照编号降序分配量子纤芯；
S4、经典纤芯分配；如果待分配纤芯与最近的量子纤芯的距离大于2Λ，按照纤芯编号升序分配经典纤芯；如果待分配纤芯与最近的量子纤芯的距离不大于2Λ，按照最大化经典纤芯和量子纤芯距离Di为原则分配经典纤芯；如果Di相等，则按照纤芯编号升序分配经典纤芯；
Dij表示第i个经典纤芯和第j个量子纤芯的距离，Di表示第i个经典纤芯和Y个量子纤芯的距离和；
B、面向高纤芯需求场景的经典量子信号混合纤芯传输的纤芯分配方案，所需要的经典纤芯数目X与需要的量子纤芯数目Y之和大于多芯光纤的芯数N，即X+Y>N，经典信号和量子信号可以在相同纤芯传输，步骤包括独立纤芯传输的纤芯分配所有步骤和经典量子混合纤芯分配，经典量子混合纤芯分配步骤包括：所有空余纤芯分配完毕后，当经典纤芯仍有需求时，从编号小的量子纤芯开始，以最大化经典纤芯和量子纤芯的距离Di为原则覆盖量子纤芯为经典量子混合纤芯；如果Di相等，则以编号最小为原则，直至X个经典纤芯分配结束。
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