四、在多波与多光纤下的QKD弹性光网络多周期分析

一、文章名称

M. Reza Dibaj, Pouya Mehdizadeh, M. Sadegh Ghasrizadeh, Hamzeh Beyranvand, Juan Carlos Hernandez-Hernandez, Jose Alberto Hernandez, Dvaid Larrabeiti, Farhad Arpanaei. From Strings to Steams: A Multi-Perioid Analysis of QKD over EONs, Showcasing Multi-Band vs. Multi-Fiber solutions. 33rd International Telecommunication Networks and Applications Conference. 2023: 169-175.

二、体系结构

  网络结构包括采用BB84协议；每个中间节点，根据波长band，放大CCh信号，PICh和QCh进行drop，与最后一个节点分享密钥；存储的最优一个密钥用来加解密数据；对于长距离的低密钥生成率SKR，需要信任的中继分享密钥；对于信任中继的位置设定在放大器的点上。

  量子信道噪声：

  a.拉曼散射（SpRS）：为了避免拉曼散射（Spontaneous Raman Scattering, SpRS），经典信道与量子信道需要200GHz（约1.6nm）隔离带，量子信道处在更低的波长。

   b.非线性干扰（NLI）：四波混频（FWM）噪声和受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering, SRS），产生了非线性干扰，其中FWM：由于光纤中的克尔效应(Kerr effect),产生了四波混频(four-wave mixing, FWM)非线性噪声源，它刺激了拉曼散射的损伤。

  c.由于低光功耗，由量子交互产生的噪声可以忽略不计；

  SKR的下界由Shannon公式决定的，考虑到背景噪声（暗电流、NLI、SpRS），SKR计算由公式（3）计算。

在量子和经典的数据信道共存时，当CChs(N)增加，影响QChs噪声显著增加，可能导致在短距离时SKR成为0（例如3km以下）。实际上，在长网络，CChs和QChs共存在一根光纤，占用相同或者邻接的频谱波长，限制了SKR和经典光的吞吐量。因此，QChs和CChs或者在不同的光纤媒介，或者有一个非常远的隔离频谱波长。

In case 1, C-band分别在两根独立的光纤，其中C-band分配给480个QChs。

In case 2, 一根共享光纤，C+L-band给CChs，O-band给236个QChs。

In case 3, 一根共享光纤，C-band分配给480QChs，L-band给80CChs。

In case 4, 一根共享光纤，L-band低频分配给25CChs，200GHz的保护波长，剩余C+L-band分配给794个QChs。

QChs是12.5GHz，CChs是75GHz，p_c=0dBm，quantum power=-80dBm，T_s=250ps,mu=0.5,sig_{ec}=1.16,检测器时间门相隔时间T_d=100ps,e_d=0.015,sig_d=0.3,p_{dark}=10^{-8},gama=1.20 1/W/km,beta——2=-22.317ps^2/km,beta_3=0.1331ps^3/km.

三、算法与实验分析

1、算法分析

a. 算法过程

  i.PICh分配：寻找k最短路径，然后在k最短路径中，分配C-band第一个频谱信道给PICh；

  ii.QCh分配：对于量子安全请求，QCh被路由，然后检查这些路径，这些路径的最小的频谱数量以及时间槽分配给QCh；

  iii.CCh分配：最后，如果有量子安全请求，经典的流量需求分配给QCh一样的路径，其中采用距离自适应模式分配方法；如果没有量子安全请求，经典的流量需求分配采用多路径方法进行分配，其中采用距离自适应模式分配方法；

b. 输入数据

  i.物理网络：G(N,L);N为节点集合，L为链路集合；

  ii.R(s_r,d_r,theta_r,sigma_r,tao_r);s_r源点,d_r目标点,theta_r经典流量需求,sigma_r二进制变量，当需要量子安全时，sigma_r=1，否则为0；当sigma_r=1时，tao_r为密钥更新时间。当tao_rin{256,128,64}ms,量子密钥的安全水平为{1,2,3}.

  iii.SKR of links per one Quantum Tx/Rx;

  iv.Quantum band;

  v.K 

2、实验分析

  a.物理网络：the national Deutsche Telekom (DT)德国电信，每条链路最大距离为50km；

  b.流量请求：theta_r是在100-600 Gbps之间的均匀分布数据；0.25的概率sigma_r=0；密钥长度为256bits，安全水平在{1,2,3}中随机选择，分别表示可要更新时间为(tao_rin{256,128,64}ms)；

    注意：tao_r是算法的输入，对应的是安全水平，与密钥长度似乎无关。

  c.流量吞吐量第一年140Tbps，后续的每一年增加35%。

  d.性能比较参数包括1）光纤长度总和，它与光纤数量、ROADM利用率总和节点度；2）量子数量消耗量。

原文始发于微信公众号（豆豆咨询）：四、在多波与多光纤下的QKD弹性光网络多周期分析