CN220798291U - 一种量子终端融合网络接入系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种量子终端融合网络接入系统，所述系统包括网络控制器、可重构光分叉复用器ROADM、MDI‑QKD接收机、多个波分复用装置WDM、多个用户Alice和多个用户Bob；所述重构光分叉复用器ROADM分别与网络控制器、MDI‑QKD接收机以及多个波分复用装置WDM连接形成星形网络拓扑结构，任意一个波分复用装置WDM又分别与一个或多个用户Alice或用户Bob连接；用户Alice产生量子信号或经典信号并通过波分复用装置WDM发送到重构光分叉复用器ROADM；重构光分叉复用器ROADM将所述量子信号或经典信号转发给用户Bob、MDI‑QKD接收机或网络控制器。本实用新型在中心节点设置一个或多个可重构光分叉复用器ROADM形成星形网络拓扑，并使得通信网络与控制网络共享一个光纤链路减少了网络建设成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及量子信息以及光通信技术领域，具体涉及一种量子终端融合网络接入系统。
背景技术
随着量子计算技术的发展，传统的基于计算复杂度的密钥体系受到了冲击。量子密钥分发(quantum key distribution，QKD)基于海森堡测不准原理和量子不可克隆定律，在理论上保证其无条件安全。近年来量子密钥分发技术快速发展，点对点的量子密钥分发技术已趋于成熟，即将进入大规模商用阶段。
目前量子通信领域中，量子信号和经典信号往往通过不同的光纤进行传输，而将量子信号和经典信号在同一光纤中同时传输技术上尚不成熟。
现有技术方案中提出采用同一根光纤中传输不同波长传输量子和经典信号的量子经典融合网络，能够降低量子网络的组网成本。但是，该技术方案的通信网络采用环形总线结构，对用户节点可靠性要求较高，一个用户节点发生故障就会影响整个网络的传输性能，且故障诊断不易进行；网络的扩展和网络传输速率的升级较为复杂，需要对多个用户节点和链路进行更改；量子经典融合信道与控制网络分离，需要同时维护两张网络，同时增加了网络复杂度与维护成本；在该技术方案中由于每个用户节点都是中继节点，因此对于每一个用户节点都需要设置ROADM(可重构光分叉复用器)，增加了网络的器件成本与建设成本。
因此，有待对现有技术的不足进行改进，提出一种量子终端融合网络接入系统。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了克服已有技术的缺陷，为了解决量子网络建设成本问题和故障恢复能力问题，提出了一种量子终端融合网络接入系统。
本实用新型通过下述技术方案实现的：
一种量子终端融合网络接入系统，所述系统包括网络控制器、可重构光分叉复用器ROADM、MDI-QKD接收机、多个波分复用装置WDM、多个用户Alice和多个用户Bob；
所述重构光分叉复用器ROADM分别与网络控制器、MDI-QKD接收机连接，所述重构光分叉复用器ROADM还分别与多个波分复用装置WDM连接形成星形网络拓扑结构，任意一个波分复用装置WDM又分别与一个或多个用户Alice或用户Bob连接；
所述网络控制器用于获取通信网络的拓扑信息、接入用户信息以及用户Alice和用户Bob的波长信息及协议信息；
所述用户Alice用于产生量子信号或经典信号并发送到波分复用装置WDM；
所述波分复用装置WDM用于转发用户Alice的量子信号或经典信号并通过量子经典融合信道发送到重构光分叉复用器ROADM
所述重构光分叉复用器ROADM用于接收来自用户Alice的量子信号或经典信号并将所述量子信号或经典信号转发给MDI-QKD接收机和网络控制器；网络控制器根据保存的用户Bob的信息，判断作为接收端的用户Bob的终端与发起者Alice的终端的QKD协议是否兼容；并检测网络中波长信道的占用情况，根据量终端已使用的波长信息判断所述用户Alice和所述用户Bob之间是否存在可用的波长资源，然后最后根据通信网络的拓扑信息选择合适的通信波长；
所述MDI-QKD接收机用于对量子信号进行测量后将测量结果发送到可重构光分叉复用器ROADM，所述可重构光分叉复用器ROADM根据网络控制器选择的波长信息分别将测量结果发送给用户Alice和用户Bob；
所述用户Bob用于与发送端用户Alice建立通信连接并接收来自发送方的用户Alice发送的量子信号或经典信号。
优选地，所述用户Alice包括依次相连的Alice用户终端、Alice密钥网关和QKD发送机。
所述Alice用户终端通过接口与协议连接Alice密钥网关和QKD发送机；
所述Alice用户终端用于接收来自网络控制器的控制信息，并负责本用户终端的通信波长信道和通信时隙的选择；
所述QKD发送机生成所述量子密钥，并通过用户终端的经典信道将生成的量子密钥发送给所述Alice密钥网关进行存储和管理；
所述Alice密钥网关用于存储和管理量子密钥，所述Alice密钥网关采用存储的量子密钥对用户终端发送的信息进行加密并发送至量子经典融合信道或采用存储的量子密钥对接收的加密信息进行解密并发送至Alice用户终端。
优选地，所述QKD发送机包括可调波长脉冲激光器、量子编码器、偏振调制器、强度调制器和发送端协议控制器；
所述可调波长脉冲激光器和量子编码器、偏振调制器、强度调制器依次连接，所述发送端协议控制器分别和可调波长脉冲激光器、量子编码器、偏振调制器、强度调制器连接；
所述发送端协议控制器根据网络控制器的控制指令设置可调波长脉冲激光器的波长、量子编码器的协议类型以及控制偏振调制器和强度调制器。
优选地，所述用户Bob包括依次相连的Bob用户终端、Bob密钥网关和QKD接收机；
所述Bob用户终端通过接口与协议连接Bob密钥网关和QKD接收机；
所述Bob用户终端用于接收来自网络控制器的控制信息，并负责本用户终端的通信波长信道和通信时隙的选择；
所述QKD接收机生成所述量子密钥，并通过用户终端的经典信道将生成的量子密钥发送给所述Bob密钥网关进行存储和管理；
所述Bob密钥网关用于存储和管理量子密钥，所述Bob密钥网关采用存储的量子密钥对用户终端发送的信息进行加密并发送至量子经典融合信道或采用存储的量子密钥对接收的加密信息进行解密并发送至Bob用户终端。
优选地，所述QKD接收机包括信道监控器、单光子探测器、量子解码器、后处理装置和接收端协议控制器；
所述信道监控器、单光子探测器、量子解码器和后处理装置依次连接；所述接收端协议控制器分别和信道监控器、单光子探测器、量子解码器、后处理装置连接；
所述信道监控器用于接收来自于所述用户Bob所连接的多个波分复用装置WDM的信号并监测光信号强度；
所述接收端协议控制器用于根据网络控制器的控制指令设置量子解码器的协议类型；
所述量子解码器用于对接收的量子信号进行解码；
所述单光子探测器用于探测和响应量子信号，并公布响应情况生成量子密钥；
所述后处理装置用于对生成的量子密钥进行经典纠错和隐私放大处理并将最终生成密钥序列发送至Bob密钥网关进行存储和管理。
优选地，所述MDI-QKD接收机包括分束器、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一竖直偏振态探测器、第一水平偏振态探测器、第二竖直偏振态探测器和第二水平偏振态探测器；
所述分束器的输出端口分别和第一偏振分束器、第二偏振分束器的输入端口相连；所述第一偏振分束器的两个输出端口分别和第一竖直偏振态探测器、第一水平偏振态探测器分别连接，所述第二偏振分束器的两个输出端口分别和第二竖直偏振态探测器、第二水平偏振态探测器分别连接。
本实用新型的有益效果为：
1.本实用新型的通信网络与控制网络共享一个光纤链路，简化了网络拓扑并减少了网络建设成本，可以在中央结点执行集中传输控制策略，使得网络的协调与管理更容易。
2.本实用新型采用星形网络拓扑，仅需在中心节点设置一个或多个可重构光分叉复用器ROADM，在其他用户接入时不会影响原有网络的正常运行，用户节点出现故障时不会对整个局域网其他用户产生影响。
3.本实用新型除了兼容常用的QKD协议，兼容了MDI-QKD协议，增强了网络安全性并简化网络结构。
附图说明
图1为本实用新型的系统框图；
图2为本实用新型的用户Alice和用户Bob的结构图；
图3为本实用新型的QKD发送机和接收机的原理图；
图4为本实用新型的MDI-QKD接收机的原理图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本实用新型进行进一步详细说明，但本实用新型要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。
一种量子终端融合网络接入系统，如图1所示，所述系统包括网络控制器、可重构光分叉复用器ROADM、MDI-QKD接收机、多个波分复用装置WDM、多个用户Alice和多个用户Bob；
所述重构光分叉复用器ROADM分别与网络控制器、MDI-QKD接收机连接，所述重构光分叉复用器ROADM还分别与多个波分复用装置WDM连接形成星形网络拓扑结构，任意一个波分复用装置WDM又分别与一个或多个用户Alice或用户Bob连接；本实用新型采用星形网络拓扑，仅需在中心节点设置一个或多个可重构光分叉复用器ROADM，在其他用户接入时不会影响原有网络的正常运行，当主ROADM出现故障时，网络控制器立即切换至备用ROADM即可恢复网络，用户节点出现故障时也不会对整个局域网其他用户产生影响。
所述网络控制器用于获取通信网络的拓扑信息、接入用户信息以及用户Alice和用户Bob的波长信息及协议信息；
所述用户Alice用于产生量子信号或经典信号并发送到波分复用装置WDM；
所述波分复用装置WDM用于转发用户Alice的量子信号或经典信号并通过量子经典融合信道发送到重构光分叉复用器ROADM；
所述重构光分叉复用器ROADM用于接收来自用户Alice的量子信号或经典信号并将所述量子信号或经典信号转发给MDI-QKD接收机和网络控制器；网络控制器根据保存的用户Bob的信息，判断作为接收端的用户Bob的终端与发起者Alice的终端的QKD协议是否兼容；并检测网络中波长信道的占用情况，根据量终端已使用的波长信息判断所述用户Alice和所述用户Bob之间是否存在可用的波长资源，然后最后根据通信网络的拓扑信息选择合适的通信波长；
所述MDI-QKD接收机用于对量子信号进行测量后将测量结果发送到可重构光分叉复用器ROADM，所述可重构光分叉复用器ROADM根据网络控制器选择的波长信息分别将测量结果发送给用户Alice和用户Bob；
所述用户Bob用于接收来自发送方的用户Alice发送的量子信号或经典信。
通信网络与控制网络共享一个光纤链路，本实用新型简化了网络拓扑并减少了网络建设成本，还可以在中央结点执行集中传输控制策略，使得网络的协调与管理更容易。
如图2-图3所示，所述用户Alice包括依次相连的Alice用户终端、Alice密钥网关和QKD发送机。
所述Alice用户终端通过接口与协议连接Alice密钥网关和QKD发送机；
所述Alice用户终端用于接收来自网络控制器的控制信息，并负责本用户终端的通信波长信道和通信时隙的选择；
所述QKD发送机生成所述量子密钥，并通过用户终端的经典信道将生成的量子密钥发送给所述Alice密钥网关进行存储和管理；
所述Alice密钥网关用于存储和管理量子密钥，所述Alice密钥网关采用存储的量子密钥对用户终端发送的信息进行加密并发送至量子经典融合信道或采用存储的量子密钥对接收的加密信息进行解密并发送至Alice用户终端。
具体地，所述QKD发送机包括可调波长脉冲激光器、量子编码器、偏振调制器、强度调制器和发送端协议控制器；
所述可调波长脉冲激光器和量子编码器、偏振调制器、强度调制器依次连接，所述发送端协议控制器分别和可调波长脉冲激光器、量子编码器、偏振调制器、强度调制器连接；
所述发送端协议控制器通过统一的接口控制所述可调波长脉冲激光器、量子编码器、偏振调制器和所述强度调制器。发送端协议控制器还可根据网络控制器的控制指令设置所述可调波长脉冲激光器的波长、量子编码器的协议类型以及控制所述偏振调制器和强度调制器。
如图2-图3所示，所述用户Bob包括依次相连的Bob用户终端、Bob密钥网关和QKD接收机；
所述Bob用户终端通过接口与协议连接Bob密钥网关和QKD接收机；
所述Bob用户终端用于接收来自网络控制器的控制信息，并负责本用户终端的通信波长信道和通信时隙的选择；
所述QKD接收机生成所述量子密钥，并通过用户终端的经典信道将生成的量子密钥发送给所述Bob密钥网关进行存储和管理；
所述Bob密钥网关用于存储和管理量子密钥，所述Bob密钥网关采用存储的量子密钥对用户终端发送的信息进行加密并发送至量子经典融合信道或采用存储的量子密钥对接收的加密信息进行解密并发送至Bob用户终端。
具体地，所述QKD接收机包括信道监控器、单光子探测器、量子解码器、后处理装置和接收端协议控制器；
所述信道监控器、单光子探测器、量子解码器和后处理装置依次连接；所述接收端协议控制器分别和信道监控器、单光子探测器、量子解码器、后处理装置连接；
所述信道监控器用于接收来自于所述用户Bob所连接的多个波分复用装置WDM的信号并监测光信号强度；
所述接收端协议控制器用于根据网络控制器的控制指令设置量子解码器的协议类型；
所述量子解码器用于对接收的量子信号进行解码；
所述单光子探测器用于探测和响应量子信号，并公布响应情况生成量子密钥；
所述后处理装置用于对生成的量子密钥进行经典纠错和隐私放大处理并将最终生成密钥序列发送至Bob密钥网关进行存储和管理。
如图4所示，所述MDI-QKD接收机包括分束器BS、第一偏振分束器PBS1、第二偏振分束器PBS2、第一竖直偏振态探测器D1V、第一水平偏振态探测器D1H、第二竖直偏振态探测器D2V和第二水平偏振态探测器D2H；
所述分束器BS的输出端口分别和第一偏振分束器PBS1、第二偏振分束器PBS2的输入端口相连；所述第一偏振分束器PBS1的两个输出端口分别和第一竖直偏振态探测器D1V、第一水平偏振态探测器D1H分别连接，所述第二偏振分束器PBS2的两个输出端口分别和第二竖直偏振态探测器D2V、第二水平偏振态探测器D2H分别连接。
本实施例基于一种量子终端融合网络接入系统的原理和过程如下：
网络控制器周期性地获取并保存通信网络的拓扑信息、网络中正在运行的业务信息以及所述用户Alice和用户Bob的波长信息和协议信息；
用户Alice的用户终端通过量子经典融合信道将会话请求信息通过ROADM发送至网络控制器；所述会话请求信息包含密钥分发请求的发起者Alice、接收者Bob和QKD协议；
网络控制器根据保存的用户Bob的信息，判断量子保密通信的接收者Bob的用户终端与发起者Alice的用户终端的QKD协议是否兼容；网络控制器检测网络中波长信道的占用情况，并根据用户终端已使用的波长信息判断所述用户Alice和用户Bob之间是否存在可用的波长资源；
若协议不兼容或不存在波长资源和误码率小于所述量子信道使用的QKD协议的误码率阈值，则网络控制器向用户Alice发送请求失败的响应；
若协议兼容和存在波长资源，则网络控制器根据通信网络的拓扑信息，给经典信道设置C波段，量子信道设置O波段；打通所述用户Alice和用户终端Bob之间的传输光路并告知用户Alice已建立量子信道；
所述用户Alice发送脉冲对量子信道进行链路安全测试，判断误码率是否大于所述量子信道使用的QKD协议的误码率阈值；
若大于，则通信终止，网络控制器向用户Alice发送请求失败的响应；
若不大于，则根据协同一致的QKD协议，所述用户Alice的QKD发送机生成量子密钥并通过经典信道将所述密钥存储到Alice密钥网关进行存储和管理；
Alice密钥网关接收来自于Alice用户终端发送的业务信息并使用已存储的量子密钥对业务信息加密后发送加密业务信息到用户Alice所连接的波分复用装置WDM；
所述用户Alice所连接的波分复用装置WDM以经典信号的波分编码方式处理加密业务信息并通过所述量子经典融合信道发送到重构光分叉复用器ROADM后转发到用户Bob所连接的波分复用装置WDM；
所述用户Bob所连接的波分复用装置WDM接收到加密信息以经典信号的波分解码方式处理后发送到Bob密钥网关；Bob密钥网关使用保存的量子密钥解密信息并发送到Bob用户终端；网络控制器关闭量子信道，通信结束。
当通信双方采用QKD协议为MDI-QKD协议，则通信双方的通信原理及过程如下：
用户Alice和用户Bob分别制备弱相干光脉冲，并随机地选择一种偏振态对弱相干光脉冲进行编码；所述偏振态为|H、|V、|+和|-；
用户Alice和用户Bob通过量子经典融合信道把制备好的量子信号发送给MDI-QKD接收机进行贝尔态测量；
网络控制器公布成功的贝尔态测量结果；同时用户Alice和用户Bob分别公布编码的基矢；
用户Alice和用户Bob中任意一方根据双方使用相同的基矢的部分和贝尔态测量结果翻转比特后得到一致的安全密钥串。
本实用新型除了兼容常用的QKD协议，还兼容了MDI-QKD协议，可以增强网络安全性并简化网络结构。
本实用新型简化了网络拓扑并减少了网络建设成本，并使得通信网络与控制网络共享一个光纤链路，使得网络的协调与管理更容易。
本实用新型仅需在中心节点设置一个或多个可重构光分叉复用器ROADM形成星形网络拓扑，则在其他用户接入时不会影响原有网络的正常运行，用户节点出现故障时也不会对整个局域网其他用户产生影响。
本实用新型除了兼容常用的QKD协议，还兼容了MDI-QKD协议，可以增强网络安全性并简化网络结构。
根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对实用新型构成任何限制。
Claims (6)
1.一种量子终端融合网络接入系统，其特征在于，所述系统包括网络控制器、可重构光分叉复用器ROADM、MDI-QKD接收机、多个波分复用装置WDM、多个用户Alice和多个用户Bob；
所述重构光分叉复用器ROADM分别与网络控制器、MDI-QKD接收机连接，所述重构光分叉复用器ROADM还分别与多个波分复用装置WDM连接形成星形网络拓扑结构，任意一个波分复用装置WDM又分别与一个或多个用户Alice或用户Bob连接；
所述网络控制器用于获取通信网络的拓扑信息、接入用户信息以及用户Alice和用户Bob的波长信息及协议信息；
所述用户Alice用于产生量子信号或经典信号并发送到波分复用装置WDM；
所述波分复用装置WDM用于转发用户Alice的量子信号或经典信号并通过量子经典融合信道发送到重构光分叉复用器ROADM；
所述重构光分叉复用器ROADM用于接收来自用户Alice的量子信号或经典信号并将所述量子信号或经典信号转发给MDI-QKD接收机和网络控制器；
所述MDI-QKD接收机用于对量子信号进行测量后将测量结果发送到可重构光分叉复用器ROADM，所述可重构光分叉复用器ROADM根据网络控制器选择的波长信息分别将测量结果发送给用户Alice和用户Bob。
2.如权利要求1所述的一种量子终端融合网络接入系统，其特征在于，所述用户Alice包括依次相连的Alice用户终端、Alice密钥网关和QKD发送机；
所述Alice用户终端通过接口与协议连接Alice密钥网关和QKD发送机；
所述Alice用户终端用于接收来自网络控制器的控制信息，并负责本用户终端的通信波长信道和通信时隙的选择；
所述QKD发送机生成量子密钥，并通过用户终端的经典信道将生成的量子密钥发送给所述Alice密钥网关进行存储和管理；
所述Alice密钥网关用于存储和管理量子密钥，所述Alice密钥网关采用存储的量子密钥对用户终端发送的信息进行加密并发送至量子经典融合信道或采用存储的量子密钥对接收的加密信息进行解密并发送至Alice用户终端。
3.如权利要求2所述的一种量子终端融合网络接入系统，其特征在于，所述QKD发送机包括可调波长脉冲激光器、量子编码器、偏振调制器、强度调制器和发送端协议控制器；
所述可调波长脉冲激光器和量子编码器、偏振调制器、强度调制器依次连接，所述发送端协议控制器分别和可调波长脉冲激光器、量子编码器、偏振调制器、强度调制器连接；
所述发送端协议控制器根据网络控制器的控制指令设置可调波长脉冲激光器的波长、量子编码器的协议类型以及控制偏振调制器和强度调制器。
4.如权利要求1所述的一种量子终端融合网络接入系统，其特征在于，所述用户Bob包括依次相连的Bob用户终端、Bob密钥网关和QKD接收机；
所述Bob用户终端通过接口与协议连接Bob密钥网关和QKD接收机；
所述Bob用户终端用于接收来自网络控制器的控制信息，并负责本用户终端的通信波长信道和通信时隙的选择；
所述QKD接收机生成量子密钥，并通过用户终端的经典信道将生成的量子密钥发送给所述Bob密钥网关进行存储和管理；
所述Bob密钥网关用于存储和管理量子密钥，所述Bob密钥网关采用存储的量子密钥对用户终端发送的信息进行加密并发送至量子经典融合信道或采用存储的量子密钥对接收的加密信息进行解密并发送至Bob用户终端。
5.如权利要求4所述的一种量子终端融合网络接入系统，其特征在于，所述QKD接收机包括信道监控器、单光子探测器、量子解码器、后处理装置和接收端协议控制器；
所述信道监控器、单光子探测器、量子解码器和后处理装置依次连接；所述接收端协议控制器分别和信道监控器、单光子探测器、量子解码器、后处理装置连接；
所述信道监控器用于接收来自于所述用户Bob所连接的多个波分复用装置WDM的信号并监测光信号强度；
所述接收端协议控制器用于根据网络控制器的控制指令设置量子解码器的协议类型；
所述量子解码器用于对接收的量子信号进行解码；
所述单光子探测器用于探测和响应量子信号，并公布响应情况生成量子密钥；
所述后处理装置用于对生成的量子密钥进行经典纠错和隐私放大处理并将最终生成密钥序列发送至Bob密钥网关进行存储和管理。
6.如权利要求1所述的一种量子终端融合网络接入系统，其特征在于，所述MDI-QKD接收机包括分束器、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一竖直偏振态探测器、第一水平偏振态探测器、第二竖直偏振态探测器和第二水平偏振态探测器；
所述分束器的输出端口分别和第一偏振分束器、第二偏振分束器的输入端口相连；所述第一偏振分束器的两个输出端口分别和第一竖直偏振态探测器、第一水平偏振态探测器分别连接，所述第二偏振分束器的两个输出端口分别和第二竖直偏振态探测器、第二水平偏振态探测器分别连接。
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2023
- 2023-07-12 CN CN202321829941.7U patent/CN220798291U/zh active Active
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |