基于多芯光纤的量子密钥分发光网络动态波长分配技术研究

• 作 者: 贾相龙
• 机 构: 北京邮电大学
• 出 处: 北京邮电大学
• 发表日期: 2021年01期
• 关键词: 量子密钥分发 资源分配 波长碎片 资源预留 密钥生成率

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。目前点对点的QKD技术已经初步成熟,将QKD与经典光网络相融合,搭建QKD光网络成为推动QKD实用化的必然趋势。此外,空分复用的多芯光网络技术能解决目前波分复用光网络容量问题和实现大容量QKD。根据QKD与数据通信业务的优先级可将QKD光网络主要划分为碎片承载型和资源预留型两种场景,在前者中数据通信业务优先级更高,量子信号仅用波长碎片承载。而在后者中量子密钥的建立具有更高优先级,需要预留部分波长作为量子信道。针对经典光信号产生的噪声对量子信号的干扰和两种业务之间的资源竞争这两大挑战,本文重点研究了基于多芯光纤的动态光网络在碎片承载型和资源预留型两种场景下的量子信道资源分配机制。主要的创新性工作如下:（1）针对动态多芯QKD光网络的碎片承载型场景提出了一种能合理利用波长重构资源的启发式量子信道分配（BRPT）算法。在碎片承载型场景下,完全利用动态网络中的波长碎片传输量子信号,仿真结果表明该方案能避免引入量子信号对数据通信业务产生的影响。为了最小化量子信道重构次数和最大化密钥生成率,提出了一种启发式量子信道分配算法。与最大密钥优先（每个时隙选择密钥生成能力最强的碎片作为量子信道）等基础算法相比,当重构资源适中且链路间配备5套QKD设备时,该算法可提升密钥生成率41%～77%。同时仿真结果验证了 BRPT算法在节约重构资源方面的优势。（2）基于上述BRPT启发式算法,进一步提出了一种更加实用化的业务量自适应的快速量子信道分配算法。BRPT算法虽然可以通过遍历算法中的诸多参数最大化量子密钥生成率,然而该最优解局限于特定的网络负载。为便于算法的实际应用,在BRPT算法基础上提出了一种根据网络业务量快速求得较优解的在线量子信道分配算法,简称自适应算法。仿真结果表明自适应算法能在网络负载动态变化时快速求得量子信道分配的较优解。（3）针对动态多芯QKD光网络的资源预留型场景设计了一种满足不同优先级业务加密需求的量子信道分配策略,并提出了两种量子信道预留方案。在资源预留场景中,利用预留的量子信道或波长碎片两类波长资源传输量子信号,其中预留量子信道用于支持高优先级业务加密,波长碎片用于支持低优先级业务加密。同时针对量子信道预留问题,为了确保预留量子信道的传输质量和较高的资源利用率,提出了启发式纤芯预留和启发式波长-纤芯预留两种量子信道预留方案。仿真结果表明量子信道资源分配方案能满足不同优先级业务的加密需求,并且量子信道预留方案能保证较高的密钥生成率。