CN115776351A - 基于量子位位帧同步的量子-经典融合接入光网络 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于量子位位帧同步的量子‑经典融合接入光网络。包括：多路用户将具有特征自相关的同步序列插入随机数据序列，构建同步帧，通过时分复用发送上行量子信号。量子接收机利用接收的量子信号，获取精确时钟，构造不同用户时隙内的接收帧，进行筛选和预处理；再利用各用户同步序列的互相关特征，确定时隙对应的用户和同步信号的位置。其中，上行量子信号与经典信号通过第一波分复用器耦合入配线光纤中传输至第二波分复用器，与其它用户的信号耦合入馈线光纤。本发明将经典接入网和基于量子位位帧同步的量子接入网相结合，降低了融合接入网对额外同步设备的需要，以适应现有的网络通信基础设施，同时使网络维护更简单。

Description

基于量子位位帧同步的量子-经典融合接入光网络

技术领域

本发明涉及经典通信系统与量子信息技术结合的领域，特别涉及一种基于量子位位帧同步的量子-经典融合接入光网络。

背景技术

随着信息时代的到来，互联网技术已经渗透到生活的方方面面，改变了人类的生活生产方式。与之相随的信息安全问题也成为了社会关注的焦点。为此，量子力学与密码学结合的量子密钥分发(Quantum key distribution，QKD)应运而生，基于量子力学基本原理的量子通信技术可以保证通信过程的无条件安全。

近几十年来，量子密钥分发领域发展迅速，正在向实用化和网络化发展。量子接入网为经典无源接入网(PON，Passive Optical Network)光线路单元提供量子安全通信，同时作为多终端单元和量子骨干网的桥梁。然而，量子-经典融合接入网不可避免的受到光纤资源和硬件设备的限制。特别地，QKD系统的正常运行离不开通信用户的时钟同步这一基础，将QKD技术集成到PON中，量子接入网的同步更是网络稳定运行的关键。现有的量子接入网同步方案包括利用额外的同步光进行同步，或者以外部时钟作为参考，比如使用全球导航卫星系统等等。这些同步方案通常需要额外的光纤资源和硬件设备，不仅增加了网络的复杂性和成本，网络稳定性也会受到影响，同时增加了维护的难度。

因此，在经典接入网上低成本和高效的构建量子接入网，将有力推动量子网络的发展。我们提出基于量子位位帧同步的量子-经典融合接入光网络及系统，保证光线路单元在光纤资源紧缺和低信噪比下也能够进行量子密钥分发任务。

公开于背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，将量子通信技术和经典通信网络相结合，提供了一种基于量子位位帧同步的量子-经典融合接入光网络。

为实现上述目的，本发明提供的实施方案如下：光线路单元ONUs的量子发射模块构造拥有自相关特征的分散式周期插入同步帧，经典发射模块发送上行信号，两种信号通过第一波分复用器融合到配线光纤中向上游发送；不同ONUs信号到达第二波分复用器分发，集中至馈线光纤中共纤传输，分时到达光线路终端OLT(OLT，Optical Line Terminal)的经典信号处理器和量子接收机；量子接收机基于接收到的量子信号，建立ONUs和OLT的同步。

进一步地，所述量子-经典融合接入网包括光线路单元ONUs(Optical NetworkUnits)、光分配网络ODN(Optical Distribution Network)和光网络终端(Optical LineTerminal)；所述ONUs包括PON网络经典信号模块和量子发送模块；所述OLT包括PON网络经典信号模块和量子接收模块；所述ODN包括光纤和波分复用器。

进一步地，所述ONUs量子发射模块各自构造同步帧，同步帧由同步序列和随机序列组成，其中具有特征自相关的同步序列标记不同ONU，并通过时分复用发送量子信号。

进一步地，所述ONU的量子信号和经典上行信号通过第一波分复用器耦合进配线光线中共纤传输，不同ONU的信号经过第二波分复用器，耦合至馈线光纤中共纤传输，分时到达OLT的经典信号处理器和量子接收机。

进一步地，所述基于量子位位帧同步的量子接入网中的量子接收机仅通过接收到的量子信号，与ONUs建立同步。

进一步地，所述OLT量子接收机与ONUs建立同步，包括如下步骤，

获取同步时钟步骤：利用时域接收到的量子信号，以傅里叶变换预估同步时钟，通过反复执行最小截取平方拟合，获取准确同步时钟；

提取和识别不同ONU数据步骤：根据获取的同步时钟，将量子信号划分到不同时隙上，由此提取出不同ONU的数据。取出时隙中的量子信号，构造接收帧，将帧内的量子信号依次和不同ONU同步帧的同步序列做互相关运算，通过相关峰识别不同ONU的数据；

确定不同ONU时延步骤：通过识别出不同ONU数据，同时确定接收帧内同步信号的位置和时延，由此确立ONUs与OLT的同步。

本发明的有益效果：

(1)本发明提供的基于量子位位帧同步的量子接入网，光线路单元不需要额外的同步光和硬件设备，节省了光纤资源，减低了网络成本，同时不用考虑同步光带来的噪声串扰对网络运行稳定性的影响。

(2)本发明提供的量子接入网中的ONUs各自构造同步帧，同步帧内的同步序列标记不同ONU，量子接收机接收不同时隙到达的ONU量子信号，通过同步序列识别不同ONU，灵活构建量子接入网，简化网络维护。

(3)本发明将基于量子位位帧同步的量子接入网与经典光网络相结合，能在现有的经典通信网络基础上低成本拓展QKD技术，有力推动量子网络的发展。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本发明的示例性实施例、特征和方面。根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本发明的其它特征、目的和优点将变得更明显。

图1示出本发明提供的一种量子-经典融合接入光网络示意图。

图2示出本发明提供的基于量子位位帧同步的量子接入网的步骤示意图。

图3示出本发明提供的同步帧结构，识别不同ONU并完成同步的步骤示意图。

具体实施方式

为更清晰的描述本发明的技术方案和有益效果，下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照图1，图2与图3，本发明提供的量子-经典融合接入光网络的实施例，包括由光线路单元ONUs(Optical Network Units)、光分配网络ODN(Optical DistributionNetwork)和光网络终端(Optical Line Terminal)，其中ONU包括PON网络经典信号模块和量子发送模块，OLT包括PON网络经典信号模块和量子接收模块，ODN包括光纤和波分复用器，ONUs通过ODN接到OLT。实施例中，基于量子位位帧同步的量子接入网OLT与ONUs建立同步的过程，包括以下步骤：

ONU构造同步帧步骤：

a1：ONUs量子发送模块构造形如阶跃函数的包括1和-1，可调最高相关峰和小峰对比度的具有自相关特征的同步序列。

a2：ONUs量子随机数发生器构造量子随机数据序列。

a3：ONUq量子发送模块将同步序列分散插入随机序列中，构造形如[s_q，1，s_q，d(1)，...，s_q，d(i)，s_q，2，s_q，d(i+1)，...，s_q，L，s_{q，d((L-1)i+1)}，...，s_q，d(Li)]的同步帧，其中s_q，n，n∈[1，2，3，...，L]表示同步序列，s_q，d(*)表示随机序列，OUNq表示用户q，q∈[1，2，3，...，n]，n为网络总用户数。

a4：经典信号模块构造上行信号。

a5：ONUs以不同的波长发出包含同步帧结构的量子信号与PON经典信号，量子信号在C波段，上行信号在O波段，下行信号在S波段发送。利用第一波分复用器将两种信号耦合入配线光纤中通过时分复用共纤向上游发送。

ODN传输信号步骤：

b1：不同ONU信号和OLT下行信号到达光分配节点，利用第二波分复用器分发来自OLT的下行信号至各用户配线光纤，集中ONUs的量子信号和上行信号至馈线光纤中共纤传输，分时到达OLT的量子接收机和经典信号处理器。

OLT处理信号完成同步步骤：

c1：馈线尾端第三波分复用器将量子与经典信号分离，OLT量子接收模块和经典信号模块分别处理接收到的量子信号和经典信号。

c2：获取同步时钟，OLT量子接收模块利用时域接收到的量子信号，进行快速傅里叶变换预估同步时钟，再通过反复执行最小截取平方拟合，获取准确同步时钟。

c3：OLT量子接收模块对接收到的信号进行整体噪声过滤，根据获得的准确同步时钟，将量子信号根据到达的时间划分到不同的时隙上，然后对数据进行拟合。从拟合结果判断，拟合线附近独立的近线性数据线分别属于不同用户的数据，对不同用户数据进行提取。

c4：OLT量子接收模块将每个提取出的属于不同用户的量子信号构造接受帧，将帧内的量子信号依次和不同ONU同步帧的同步序列做互相关运算，通过相关峰识别不同ONU的数据。

c7：OLT量子接收模块通过识别出的不同ONU数据，直到观察到最大相关峰，确定接收帧内同步信号的位置和时延，由此确立ONUs与OLT的同步。

本发明提供的量子-经典融合接入网将PON网络与量子接入网相结合，在现有通信器件的基础上将激光器置于光网络单元，量子接收机置于光线路终端，利用波分复用器整合和分发不同用户信号。能适应现有的网络通信基础设施，且大大拓展量子密钥分发系统的用户数量，提高了系统实用性，能加快量子信息网络在全球范围的构建。

本发明提供的基于量子位位帧同步方法的量子-经典融合接入光网络系统。通过构造具有特征自相关的同步帧，利用快速傅里叶变换和优化互相关等算法，能提取用户数据，识别用户，快速同步系统。利用此方法，网络中不需要添加额外的硬件，节省了器件资源，简化了网络。同时不需要同步光，不用考虑同步强光造成的串扰等问题，节省了光纤资源。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种基于量子位位帧同步的量子-经典融合接入光网络，其特征在于，光线路单元(ONUs，Optical Network Units)量子发射模块构造拥有自相关特征的分散式周期插入同步帧，经典发射模块发送上行信号，两种信号通过第一波分复用器融合到配线光纤中向上游发送；不同ONUs信号到达第二波分复用器分发，集中至馈线光纤中共纤传输，分时到达光线路终端OLT(OLT，Optical Line Terminal)的经典信号处理器和量子接收机；量子接收机基于接收到的量子信号，建立ONUs和OLT的同步。

2.按照权利要求1所述的基于量子位位帧同步的量子-经典融合接入光网络，其特征在于，ONUs量子发射模块各自构造同步帧，同步帧由同步序列和随机序列组成，其中具有特征自相关的同步序列标记不同ONU，并通过时分复用发送量子信号。

3.按照权利要求1所述的基于量子位位帧同步的量子-经典融合接入光网络，其特征在于，ONU的量子信号和经典上行信号通过第一波分复用器耦合进配线光线中共纤传输，不同ONU的信号经过第二波分复用器，耦合至馈线光纤中共纤传输，分时到达OLT的经典信号处理器和量子接收机。

4.按照权利要求1所述的基于量子位位帧同步的量子-经典融合接入光网络，其特征在于，基于量子位位帧同步的量子接入网中的量子接收机仅通过接收到的量子信号，与ONUs建立同步。

5.按照权利要求4所述的OLT量子接收机与ONUs建立同步，其特征在于，包括如下步骤，

获取同步时钟步骤：利用时域接收到的量子信号，以傅里叶变换预估同步时钟，通过反复执行最小截取平方拟合，获取精确的同步时钟；

提取和识别不同ONU数据步骤：根据获取的同步时钟，将量子信号划分到不同时隙上，由此提取出不同ONU的数据。取出时隙中的量子信号，构造接收帧，将帧内的量子信号依次和不同ONU同步帧的同步序列做互相关运算，通过相关峰识别不同ONU的数据；

确定不同ONU时延步骤：通过识别出不同ONU数据，同时确定接收帧内同步信号的位置和时延，由此确立ONUs与OLT的同步。

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