CN115765992A

CN115765992A - 一种双协议量子光网络中基于链路影响度的资源分配方法

Info

Publication number: CN115765992A
Application number: CN202211372757.4A
Authority: CN
Inventors: 孙咏梅; 高子琦; 孔维文; 高耀先; 纪越峰
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2022-11-03
Filing date: 2022-11-03
Publication date: 2023-03-07

Abstract

本专利公开了一种双协议量子光网络中基于链路影响度的资源分配方法，该方法主要针对基于BB84和SNS的双协议QKD光网络这一应用场景，解决两种量子密钥分发业务与数据通信业务之间的资源竞争问题。本方法充分考虑了两种协议的特性，提出基于链路影响度的SNS波长分配方法与预留量子芯的纤芯分配方法，能够有效提高网络中的QKD性能。本发明提出的方法有助于促进多种协议共存的量子密钥分发光网络的发展，为其广泛应用奠定了基础。

Description

一种双协议量子光网络中基于链路影响度的资源分配方法

技术领域

本专利涉及量子通信领域，尤其涉及双协议量子密钥分发光网络中的资源分配问题。该方法主要解决网络中两种量子密钥分发业务与数据通信业务之间的资源竞争，通过降低多链路资源的互相影响能够有效提高密钥生成率，进一步推动多种协议共存的量子密钥分发光网络技术的实用化进程。

背景技术

基于量子力学三大物理定律的量子密钥分发技术(Quantum Key Distribution,QKD)可以实现信息论理论安全的保密通信。由于量子信号功率极低，为了避免经典信号对量子信号的噪声干扰，初期的QKD网络大多基于专用光纤。这种方法不仅需要耗费大量财力物力，而且浪费网络资源。共纤传输技术可以减少专用光纤所造成的网络资源浪费，即通过波分复用技术(Wavelength Division Multiplexing，WDM)可以将经典信号和量子信号复用到同一根光纤中，能够提高点对点链路之间的安全密钥生成率(Secure Key Rate，SKR)。面对越来越高的传输容量需求，近年来提出了多芯光纤空分复用(Space DivisionMultiplexing，SDM)技术，很好地满足了日益增长的业务需求。

为了在更广的空间范围内给更多的用户提供安全通信服务，QKD与光网络融合的相关技术也在不断发展，目前对QKD与数据通信业务共存的研究大多基于BB84协议进行研究。近年来也不断有新的协议被提出和验证，其中不同的协议具备不同的特性，例如长距离传输能力、对噪声的不同抵抗力、安全性能等。因此，面对网络中的业务需求多样性等问题时，由多种协议组成的QKD光网络能够充分发挥各协议的优势提供更好的通信服务。本专利主要针对由目前发展最成熟的BB84协议和具备高安全行、长距离传输特性、支持非对称信道的发送与不发送(Sending or Not Sending，SNS)协议组成的双协议QKD网络进行重点研究。

然而，双协议QKD光网络中又将面临以下问题：在多芯QKD网络中，自发拉曼散射噪声、四波混频噪声、多芯光纤芯间串扰噪声等会对量子信号产生干扰，从而影响量子密钥生成。而且两种量子信号与经典光信号共享有限的波长资源，因此三者之间存在资源竞争问题。随着网络中大带宽数据通信业务的不断增长，资源竞争问题将越来越严峻。同时，由于SNS协议需要第三方测量节点，因此进行SNS QKD传输时会涉及多条链路，以往的研究大都是针对量子信号单链路传输的分配算法，没有考虑到多链路互相影响会降低了密钥生成率的情况。

综上所述，围绕以上双协议QKD光网络面临的难点，在动态业务场景下，如何根据两种协议不同特性，合理地为经典信号和量子信号分配纤芯和波长资源来提高网络的整体性能是目前亟待解决的问题。

发明内容

本专利针对基于多芯光纤的双协议共存的量子光网络这一应用场景，为了确保网络中较高的SKR，设计了一种双协议量子光网络中基于链路影响度的资源分配方法。该方法包含两个技术要点：1.提出一种基于SNS链路影响度的波长分配方法；2.针对两种协议的抗噪声性能提出一种为SNS量子信号预留量子芯的纤芯分配方法。

针对所述的第一个技术要点，具体的说明如下：

提出一种基于SNS链路影响度的波长分配方法。考虑到SNS协议涉及多条链路，本专利定义了影响度的概念来评估资源分配中多链路互相影响的程度，影响度是当前节点对路径占用前后对其他节点对造成的影响程度的总和。当对SNS量子信号分配信道时，波长λ_j下的影响度可以表示为

其中P_a,b-related表示所有与P_a,b占用相同链路的节点对P_c,d的集合，其中每对节点对的链路集合用P_c,d表示。

表示占用信道前波长λ_j下P_c,d的可用信道数，

则表示占用链路l_i后波长λ_j下P_c,d的可用信道数。

影响度的计算分为以下步骤：

第一步：确定当前分配的SNS节点对的路径，记录下路径中的所有链路，并放入集合L中；

第二步：记录下所有涉及L中链路的节点对，放入集合Nodes中；

第三步：更新当前剩余信道状态，并记录Nodes中所有节点对的可用信道数；

第四步：依次占用集合L的各个波长上的信道，Nodes中节点对可用信道数的前后变化的和为当前波长的影响度。

每个波长的影响度表示了该波长被占用后对整个网络的影响程度，因此选择影响度小的波长可以避免信道资源的浪费，提高网络的QKD性能。

针对所述的第二个技术要点具体说明如下：

本专利针对双协议共存量子光网络，提出一种为SNS量子信号预留量子芯的纤芯分配方法；本技术要点为抗噪声性能差的SNS量子信号预留纤芯传输，定义为量子芯，目的在于避免芯内噪声对SNS的干扰；经典信号则占用其余芯，为了避免资源的浪费，只涉及单链路BB84信号将占用SNS与经典信号分配后的波长碎片进行传输，将既传输经典信号又传输BB84量子信号的其余芯定义为混合芯；因此多芯光纤中的芯分为两种类型：量子芯与混合芯。

纤芯分配方法中量子芯与混合芯的分配原则是使量子芯到混合芯距离最大的同时保证量子芯相邻的混合芯的数量尽量少。纤芯分配方法的步骤为：

第一步：在待分配的多芯光纤中顶端任意选择1个芯，编号为1；

第二步：在1芯最外侧画一条切线，向下平移，使其穿过1芯的中心，

命名为第一优先分组线；

第三步：将第一优先分组线下移，使其第一次同时经过多个芯的中心，

称为第二优先分组线，依次下移，直到优先分组线通过最后一个芯，

所有优先分组线的划分结束；

第四步：为纤芯编号，每个优先级分组线上芯的编号是连续的，并且

按照中>左>右的顺序从小到大进行编号；

第五步：在选择量子芯时，优先选择编号小的芯；在选择混合芯时，

优先选择编号大的芯。

同时本技术要点提出了量子直通的方式，即传输的量子信号通过直通节点时不对量子信号进行任何接收、处理等操作，直接在SNS接收端进行接收测量，既考虑到SNS长距离传输的特性，又为了保证更多的节点对可以实现SNS QKD。

本专利所述方法可以用于多芯的双协议QKD光网络中，能够有效解决量子信号与经典数据信号的资源竞争问题，提高网络的密钥生成能力。通过本方法的实施能够解决网络中的业务安全需求多样性等问题，针对不同需求的数据业务可以使用不同QKD协议产生密钥进行加密。本方法为促进多种协议共存的QKD光网络的发展奠定了一定的基础。

附图说明

图1(a)为BB84协议示意图,图1(b)为SNS协议示意图，图1(c)为量子信号直通的SNS协议示意图，其中深色箭头表示量子信道，浅色箭头表示数据业务信道。

图2为基于多链路影响度的波长分配方法中影响度计算示意图(以6节点拓扑为例)。

图3为预留量子芯的纤芯分配方法示意图(以19芯光纤为例)，其中深色的纤芯为同时传输量子信号和经典光信号的混合芯，浅色的纤芯为仅传输量子信号的量子芯。

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。

在本专利的具体实施例中，以6节点拓扑示例，本发明提出的如附图2所示基于多链路影响度的波长分配方法，其中影响度计算方法如下：

图2(a)中深色节点为具有SNS QKD接收器的节点，不同颜色的箭头分别代表不同节点对的路径。当我们为节点2和节点6分配资源时，需要计算其多链路影响度，该路径由两条链路组成。此时涉及该路径链路(其路径包含line1或line2)的还有两对节点。因此，在计算节点2到节点6的多链路影响度时，将考虑两条链路和三对节点。图2(b)显示了当前每条链路的每个波长的可用信道数，路径的可用信道由路径中所有链路中的最小信道值确定，可以看出当前节点2到节点6路径在波长λ₁、λ₃、λ₅上有可选信道。之后则依次占用该路径链路，计算占用前后对三对节点的影响。图2(c)和(d)分别显示了link1和link2被占用后剩余的可用通道数。以波长λ₁为例，可以看出占用link1时三对节点可用信道数都没有变化，而占用link2时有两对节点对的可用信道数减少，因此可以计算波长λ₁的影响度为：0+1/2+1/2＝1，波长λ₃的影响度为：1+1+1+1＝4，波长λ₅的影响度为：1/2+1/2+1/2+1/2＝2。因此按照影响度来看，应该选择波长λ₁。

在本专利的具体实施例中，以19芯光纤为例。本发明提出的如附图3所示预留量子芯的纤芯分配方法，选择量子芯的原则使量子芯到混合芯距离最大的同时保证量子芯相邻的混合芯的数量尽量少。具体流程如下：

在待分配的正六边形19芯光纤中的顶端的6个芯中任意选择1个芯，编号为1；在1芯最外侧画一条切线，向下平移，使其穿过1芯的中心，命名为第一优先分组线；将优先分组线下移，使其第一次同时经过两个芯的中心，称为第二优先分组线，依次下移，直到优先分组线通过最后一个芯，所有优先分组线的划分结束；根据每个优先级分组线的芯编号的优先级顺序为芯从小到大进行编号，图3(左)表示为19芯编号后的结果；在选择量子芯时，优先选择编号小的芯；在选择混合芯时，优先选择编号大的芯。以量子芯需求量为4时为例，图3(右)表示量子芯和混合芯分配情况。

通过以上实例可以看出，本专利在双协议共存QKD光网络中，针对协议特性合理地进行了纤芯分配，并在此基础之上，考虑到了SNS的多链路特性，通过信道分配降低了多链路互相影响造成的量子信号阻塞问题，提高了网络整体的SKR，为多种协议共存的量子光网络的发展奠定了基础。

Claims

1.一种双协议量子光网络中基于链路影响度的资源分配方法，目的在于针对BB84协议和发送或不发送(Sending or Not Sending，SNS)协议的不同特性解决资源分配问题，提高网络量子密钥分发性能，推动多种协议共存的量子光网络的发展，其特征在于，主要分为两部分：

A、提出一种基于SNS链路影响度的波长分配方法；考虑到SNS协议涉及多条链路，以影响度来评估每个波长在资源分配中多链路互相的影响程度，选择影响度小的波长分配给量子信号，来降低资源分配过程中多链路的互相影响；

B、提出一种为SNS量子信号预留量子芯的纤芯分配方法；为抗噪声性能差的SNS量子信号预留纤芯传输，定义为量子芯，目的在于避免芯内噪声对SNS的干扰；经典信号则占用其余芯，为了避免资源的浪费，只涉及单链路BB84信号将占用SNS与经典信号分配后的波长碎片进行传输，将既传输经典信号又传输BB84量子信号的其余芯定义为混合芯；因此多芯光纤中的芯分为两种类型：量子芯与混合芯；而量子芯与混合芯的分配原则是使量子芯到混合芯距离最大的同时保证量子芯相邻的混合芯的数量尽量少。

2.如权利要求1所述方法，提出一种基于SNS链路影响度的波长分配方法，其特征在于，影响度是当前节点对路径占用前后对其他节点对造成的影响程度的总和，可以定义为

表示占用信道前波长λ_j下P_c,d的可用信道数，

则表示占用链路l_i后波长λ_j下P_c,d的可用信道数，具体的计算过程包括以下步骤：

第一步：确定当前分配的SNS节点对的路径，记录下路径中的所有链路，并放入路径链路集合中；

第二步：记录下所有涉及路径链路集合中链路的节点对，放入节点对集合中；

第三步：更新当前剩余信道状态，并记录节点对集合中所有节点对的可用信道数；

第四步：依次占用路径链路集合的各个波长上的信道，可用信道数的前后变化的和为当前波长的影响度。

3.如权利要求1和2所述方法，提出一种为SNS量子信号预留量子芯的纤芯分配方法，其特征在于，SNS量子信号只在量子芯传输，经典信号只在混合芯传输，BB84量子信号可以在两种类型的芯传输，分配量子芯与混合芯的具体方法是：

第二步：在1芯最外侧画一条切线，向下平移，使其穿过1芯的中心，命名为第一优先分组线；

第三步：将第一优先分组线下移，使其第一次同时经过多个芯的中心，称为第二优先分组线，依次下移，直到优先分组线通过最后一个芯，所有优先分组线的划分结束；

第四步：为纤芯编号，每个优先级分组线上芯的编号是连续的，并且按照中>左>右的顺序从小到大进行编号；

第五步：在选择量子芯时，优先选择编号小的芯；在选择混合芯时，优先选择编号大的芯。