CN115913536A - 一种量子和经典信号交替处理的空频资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种量子和经典信号交替处理的空频资源分配方法，本方法适用于经典光网络中量子信号与经典信号融合传输的系统，对任意纤芯布局和任意纤芯数目的多芯光纤均适用。本技术主要针对独立纤芯传输的场景，设计了一个基于距离最大化的纤芯交替分配方法，和一个基于间插的波长迭代分配方法。使用提出的纤芯分配方法分配经典纤芯和量子纤芯，使用提出的波长分配方法分配经典信道和量子信道的波长，旨在抑制量子信号受到的多种噪声，搜寻最优的纤芯和波长分配结果。本发明提出的量子和经典信号独立纤芯传输的空频资源分配方法可以有效地提高安全密钥率，推动量子密钥分发技术的部署。

Description

一种量子和经典信号交替处理的空频资源分配方法

技术领域

本专利涉及量子通信领域，尤其涉及基于多芯光纤的量子密钥分发光传输系统。本专利为多芯光纤中量子和经典信号的独立纤芯传输提供了空频资源分配方法，该技术可以有效地抑制量子信号受到的多种噪声，推动量子密钥分发技术的部署。

背景技术

量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)是目前最有前景的保密技术之一，理论上可以保证私密通信的安全性。QKD的过程需要传输量子信号，将量子信号与经典信号在现有的经典光网络中融合传输，可以降低部署成本，推进QKD的部署。这个过程中，量子信号会受到经典信号的多种噪声干扰，主要有芯间串扰、四波混频噪声和拉曼散射噪声，这些噪声会降低QKD的安全密钥率(Secret Key Rate，SKR)的大小。同时，在融合传输的过程中，量子信号和经典信号之间还存在着资源竞争的问题。在基于多芯光纤的经典光网络中融合传输量子信号和经典光网络，拥有传输容量大的优点。

如何在经典光网络中经典信号的传输容量需求高的情况下，保证QKD的SKR能支持加密业务的需求，是目前面临的主要问题之一。面对这个问题，一个合理的空频资源(即纤芯和波长资源)分配方法，可以有效地提高QKD的SKR和传输距离。现有的空频资源分配方法，大多数是固定地分配完所有经典信号的波长，再计算分配给量子信号的波长，且大多数方法只避免单一噪声，有的方法则对拉曼散射噪声做了简化或者要求全部信道都占满，这些方法并不能保证SKR最大且有诸多限制。因此，设计一种可以有效地抑制量子信号受到的多种噪声的空频资源分配方法，可以提高SKR，推进QKD技术的部署，推动基于多芯光纤的经典和量子信号融合传输技术的发展。

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，提出了一种量子和经典信号交替处理的空频资源分配方法。主要以如何抑制量子信号所受的多种噪声：芯间串扰、四波混频和拉曼散射噪声，以及提高SKR为目标。本专利中的独立纤芯传输场景是指经典信号和量子信号分别在多芯光纤的不同纤芯上独立传输，在这个场景下，包含两个技术要点：1、提出了一个基于距离最大化的纤芯交替分配方法；2、提出了一个基于间插的波长迭代分配方法。所提出的方法先使用纤芯交替分配方法分配纤芯，再使用波长迭代分配方法分配不同纤芯上的波长。

针对所述的第一个技术要点具体说明如下：

提出了一个基于距离最大化的纤芯交替分配方法，本方法适合任意纤芯布局和任意纤芯数目的多芯光纤。本方法的主要思想为交替分配经典纤芯和量子纤芯，使得经典和量子纤芯的总距离最大化，减小芯间噪声的干扰。该纤芯分配方法共分为7个步骤。

S1、在待分配的N芯多芯光纤中，设经典纤芯和量子纤芯的需求分别为m和n，任意选择一个相邻纤芯数最少的空纤芯，分配为经典纤芯，计算与其纤芯间距最远的空纤芯，分配为量子纤芯；

S2、判断已分配的经典和量子纤芯数是否满足需求数，若经典纤芯数＝m并且量子纤芯数＝n，则结束方法的执行；若经典纤芯数＝m、量子纤芯数<n，则执行S5；若经典纤芯数<m，分别计算与已有的经典纤芯相邻的每一个空纤芯i到所有的量子纤芯的距离并放入集合D_i中，取出每个D_i中最小的值放入集合S中；

S3、取出集合S中的最大值，这个值若唯一，把与这个最大值对应的空纤芯分配给经典纤芯，清空集合S和D_i，执行S5；若不唯一，执行S4；

S4、分别把与集合S中的最大值对应的空纤芯的集合D_i取出并将其中的任意一个最小值去掉，清空集合S，然后再比较这些D_i中的最小值，若最小值存在，则放入集合S中，执行S3；若不存在，则选择这些空纤芯中的任意一个，分配为量子纤芯，执行S5；

S5、判断已分配的经典和量子纤芯数是否满足需求数，若经典纤芯数＝m并且量子纤芯数＝n，则结束方法的执行；若经典纤芯数<m、量子纤芯数＝n，则执行S2；若量子纤芯数<n，分别计算与已有的量子纤芯相邻的每一个空纤芯i到所有的经典纤芯的距离并放入集合D_i中，取出每个D_i中最小的值放入集合S中；

S6、取出这个集合中的最大值，这个值若唯一，把与这个最大值对应的空纤芯分配给量子纤芯，清空集合S和D_i，执行S2；若不唯一，则执行S7；

S7、分别把与集合S中的最大值对应的空纤芯的集合D_i取出并将其中的任意一个最小值去掉，清空集合S，然后再比较这些D_i中的最小值，若最小值存在，则放入集合S中，执行S6；若不存在，则选择这些空纤芯中的任意一个，分配为量子纤芯，执行S3。

针对所述的第二个技术要点具体说明如下：

提出了一个基于间插的波长迭代分配方法，用以分配经典纤芯和量子纤芯上的波长。本方法适用独立纤芯传输场景下的波长分配问题，该纤芯分配方法共分为4个步骤：

S1、初始化经典信道的波长分配，即随机地分配经典信道的波长，设定最大迭代次数为K；

S2、固定经典信道的波长，按照量子信号受到的芯间串扰噪声、四波混频噪声和拉曼散射噪声的总噪声最小的原则分配量子信道的波长；

S3、固定量子信道的波长，根据量子信号受到的四波混频噪声最小的原则，分配经典信道的波长；

S4、判断是否满足最大迭代次数K，若满足，则结束执行，输出分配结果，若不满足，则继续执行S2。

附图说明

图1为所述的基于距离最大化的纤芯交替分配方法分配过程示意图。

图2为所述的基于间插的波长迭代分配方法分配过程示意图。

图3为所述的空频资源分配方法的示意图，所述的空频资源分配方法包括了基于距离最大化的纤芯交替分配方法和基于间插的波长迭代分配方法。

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、附图3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。

本专利提出的基于距离最大化的纤芯交替分配方法中，多芯光纤可以为如附图1中所示的19芯光纤，纤芯横截面布局为规则正六边形。为了说明，假设相邻纤芯的纤芯距离为r。当需求五个经典纤芯和四个量子纤芯时，首先选择任意一个相邻纤芯数最小的空纤芯分配为经典纤芯(最上端的纤芯)，如图1(a)所示。计算与其纤芯间距最远的空纤芯，分配为量子纤芯(最下端的纤芯)，如图1(b)所示。接下来分配经典纤芯，将所有量子纤芯看作一个整体(图中用红色虚线包围的部分)，计算与经典纤芯相邻的空纤芯到这个整体的最短距离，放入集合中，即

这个集合的最大值为

且不唯一，则计算与这个最大值相对应的两个空纤芯到这个整体的次短距离，由于次短距离不存在，则分配这两个纤芯中的任意一个空纤芯为经典纤芯，如图1(c)所示。接下来分配量子纤芯，将所有经典纤芯看作一个整体，计算与量子纤芯相邻的空纤芯到这个整体的最短距离，放入集合中，即

这个集合的最大值为

且唯一，则将与这个最大值相对应的空纤芯分配为量子纤芯，如图1(d)所示。剩余部分继续按照上面的步骤进行经典、量子纤芯的交替分配，直到分配完需求的五个经典纤芯和四个量子纤芯，分配结果如图1(i)所示。

在使用基于距离最大化的纤芯交替分配方法分配完纤芯的基础上，本专利又提出了基于间插的波长迭代分配方法。如图2所示，由于经典信号的功率远大于量子信号，所以使用长箭头代表经典信号，短箭头代表量子信号。假设每根纤芯上有从1556nm到1564nm的二十个可用信道，信道间隔为50GHz，需要分配五个经典信道和五个量子信道。首先设定一个最大迭代次数，初始化经典信道的分配：实施例中将经典信道分配在长波长的一侧，然后固定经典信道。计算空闲信道上的四波混频噪声和拉曼散射噪声，选择的噪声和最小的信道，分配为量子信道，然后固定量子信道。根据最小四波混频噪声原则，对空闲信道上的不同经典信道的组合，计算其落入量子信道的四波混频噪声，选择噪声最小的组合，分配为经典信道，然后固定经典信道。之后，按照以上两个原则继续交替迭代，直至达到最大迭代次数，输出SKR最大的分配结果。

通过以上实施例可以看出，本专利提出的量子和经典信号交替处理的空频资源分配方法包含了两部分：基于距离最大化的纤芯交替分配方法和基于间插的波长迭代分配方法，如图3所示。提出的方法可以有效地抑制噪声，适用于任意纤芯布局和纤芯数目的多芯光纤，可以有效地提高SKR，推动量子密钥分发技术的部署。

Claims (3)

1.一种量子和经典信号交替处理的空频资源分配方法，此方法适合任意纤芯布局和任意纤芯数目的多芯光纤，其特征在于，此方法适用于独立传输场景，即量子和经典信号分别在多芯光纤的不同纤芯中独立传输，主要分为两部分：

A、一种基于距离最大化的纤芯交替分配方法；将只传输经典信号的纤芯定义为经典纤芯，将只传输量子信号的纤芯定义为量子纤芯；本方法的主要思想为交替分配经典纤芯和量子纤芯，使得经典和量子纤芯的总距离最大化，减小芯间噪声的干扰；

B、一种基于间插的波长迭代分配方法；此方法基于交替迭代的思想，通过迭代，计算使量子信号受到的四波混频和拉曼散射噪声最小的经典和量子信道的波长。

2.如权利要求1所述方法，一种基于距离最大化的纤芯交替分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在待分配的N芯多芯光纤中，设经典纤芯和量子纤芯的需求分别为m和n，任意选择一个相邻纤芯数最少的空纤芯，分配为经典纤芯，计算与其纤芯间距最远的空纤芯，分配为量子纤芯；

S2、判断已分配的经典和量子纤芯数是否满足需求数，若经典纤芯数＝m并且量子纤芯数＝n，则结束方法的执行；若经典纤芯数＝m、量子纤芯数<n，则执行S5；若经典纤芯数<m，分别计算与已有的经典纤芯相邻的每一个空纤芯i到所有的量子纤芯的距离并放入集合D_i中，取出每个D_i中最小的值放入集合S中；

S3、取出集合S中的最大值，这个值若唯一，把与这个最大值对应的空纤芯分配给经典纤芯，清空集合S和D_i，执行S5；若不唯一，执行S4；

S4、分别把与集合S中的最大值对应的空纤芯的集合D_i取出并将其中的任意一个最小值去掉，清空集合S，然后再比较这些D_i中的最小值，若最小值存在，则放入集合S中，执行S3；若不存在，则选择这些空纤芯中的任意一个，分配为量子纤芯，执行S5；

S5、判断已分配的经典和量子纤芯数是否满足需求数，若经典纤芯数＝m并且量子纤芯数＝n，则结束方法的执行；若经典纤芯数<m、量子纤芯数＝n，则执行S2；若量子纤芯数<n，分别计算与已有的量子纤芯相邻的每一个空纤芯i到所有的经典纤芯的距离并放入集合D_i中，取出每个D_i中最小的值放入集合S中；

S6、取出这个集合中的最大值，这个值若唯一，把与这个最大值对应的空纤芯分配给量子纤芯，清空集合S和D_i，执行S2；若不唯一，则执行S7；

S7、分别把与集合S中的最大值对应的空纤芯的集合D_i取出并将其中的任意一个最小值去掉，清空集合S，然后再比较这些D_i中的最小值，若最小值存在，则放入集合S中，执行S6；若不存在，则选择这些空纤芯中的任意一个，分配为量子纤芯，执行S2。

3.如权利要求1和2所述方法，一种基于间插的波长迭代分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、初始化经典信道的波长分配，即随机地分配经典信道的波长，设定最大迭代次数为K；

S2、固定经典信道的波长，按照量子信号受到的芯间串扰噪声、四波混频噪声和拉曼散射噪声的总噪声最小的原则分配量子信道的波长；

S3、固定量子信道的波长，根据量子信号受到的四波混频噪声最小的原则，分配经典信道的波长；

S4、判断是否满足最大迭代次数K，若满足，则结束执行，输出分配结果，若不满足，则继续执行S2。

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