用于基于纠缠态的无线MESH量子通信网络的路由方法.pdf

本发明为一种用于基于纠缠态的无线Mesh量子通信网络的路由方法。该网络中的节点之间通过经典的无线信道传递路由信息，通过量子隐形传态传递量子信息。网络中的节点根据本发明提出的路由方法建立路由，该路由方法主要由六个步骤组成。量子节点可以根据路由度量选择路径，然后建立量子信道传送信息。利用经典的无线信道进行路由信息交互，网络中每个节点维护一个路由表，同时交换路由信息，建立和维护路由，并根据路由选择转发携带信息的量子态。

权利要求书1.  一种基于纠缠态的无线Mesh量子通信网络，其特征在于：该网络的网络拓扑是骨干网型Mesh结构，网络节点为具有无线通信功能的量子设备，相邻节点间存在有量子信道和经典的无线信道，节点间通过量子隐形传态传输量子信息；该通信网络中，任意两节点如果存在共享的纠缠粒子对，则认为这两个节点间存在量子信道；经典信道作为辅助信道，主要用于转发路由信息和量子隐形传态的测量结果，每个骨干网中的无线量子节点都是一个路由器，携带周围节点的路由信息，并具有自由选路功能，多个无线量子节点组成网络主干，它们之间通过无线信道和量子信道相连，并且具有自动路由配置功能。2.  一种用于基于纠缠态的无线Mesh量子通信网络的路由方法，其特征在于，该方法针对权利要求1所述的基于纠缠态的无线Mesh量子通信网络，包含以下步骤：a. 当源节点（S）需要传输携带信息的量子态给目的节点（D）时，所述源节点先检查自己的路由表中是否存在目的节点的信息，即检查目的节点是否是其相邻节点，如果是，即结束本路由方法流程；否则，源节点就发起一个路由发现过程，即通过无线信道广播一个量子路由请求消息；b. 源节点广播量子路由请求消息后，中间节点收到该路由请求消息，首先根据源节点地址和请求序列号检查是否收过相同的路由请求消息，若收到过同一源节点相同的序列号路由请求消息，就丢弃本次收到的路由请求消息，否则更新路由请求消息中的上一跳节点地址为当前节点地址，然后再广播该路由请求信息；c. 经过中间节点的广播转发，目的节点将收到来自不同相邻节点的相同路由请求消息，目的节点接收到第一条量子路由请求后，等待一段固定的时间，收到多条相同序列号的路由请求后，忽略相同序列号的量子路由请求，然后目的节点向其所有相邻节点广播一个量子路由发现消息，该消息中包含了源节点S的地址，同时也包含了一个记录了从源节点到目的节点的量子路径的路由记录域；d. 当网络中的一个量子节点接收到量子路由发现消息以后，它将自己的地址ID加入到路由记录域的队尾，接着该量子节点继续将除了路由记录域中已记录的量子节点和源节点的地址外、更新过的量子路由发现消息转发给自己的相邻节点，同时该量子节点检查源节点S是否是它的相邻节点，如果是，则该量子节点就创建一个量子路由确认消息并进入步骤e；否则，继续转发量子路由发现消息给相邻节点，所述量子路由确认消息中包含一个记录了每条量子路径上路由度量的路由度量域；e.该量子节点就复制路由记录域，将自己的地址加到路由记录域的队尾，更新自己与源节点之间的路由度量，将路由度量域中的其他节点置零，并通过无线信道给路由记录域中记录了地址ID的量子节点发送此量子路由确认消息；当路径中的量子节点收到量子路由确认消息后，先检查路由度量域中上一跳节点地址与量子路由确认消息中的上一跳节点地址是否一致，并且检查自己的地址对应的路由度量值是否为零，如果地址不一致或者对应的路由度量值不为零，则丢弃这个消息；否则更新该量子节点在量子路由确认消息中的路由度量值，并将量子路由确认消息中上一跳节点值设为本节点地址；f. 最后，目的节点收到量子路由确认消息后，在其路由表中添加目的节点到源节点的路由信息，从而建立从源节点到目的节点的路由，完成路由发现过程。3.  如权利要求2所述的用于基于纠缠态的无线Mesh量子通信网络的路由方法，其特征在于，所述路由请求消息格式包括请求序列号、源节点地址、目的节点地址以及上一跳节点地址，所述请求序列号用来识别不同的路由请求消息；所述步骤a中源节点每产生一个新的路由请求消息其请求序列号加1，并将上一跳节点地址设为源节点地址。4.  如权利要求2所述的用于基于纠缠态的无线Mesh量子通信网络的路由方法，其特征在于，所述步骤c中广播的量子路由发现消息包括源节点地址、目的节点地址、上一跳节点地址以及路由记录域。5.  如权利要求2所述的用于基于纠缠态的无线Mesh量子通信网络的路由方法，其特征在于，所述步骤d中的量子路由确认消息包括源节点地址、目的节点地址、上一跳节点地址以及路由度量域。6.  如权利要求2、3、4或5所述的用于基于纠缠态的无线Mesh量子通信网络的路由方法，其特征在于，所述步骤d中，路由度量域是纠缠粒子对数、跳数和传输时延中的任一种。

说明书用于基于纠缠态的无线Mesh量子通信网络的路由方法
技术领域
本发明是一种应用于基于纠缠态的无线Mesh量子通信网络的路由方法，属于量子通信和信息传播技术领域。
背景技术
基于隐形传态的无线量子通信网络由于其具有动态的拓扑结构和开放式的网络环境，能够构建稳定、可靠、高效的网络,使得与有线相比较，具有更广阔的前景和更大的挑战性。量子通信技术与无线网络技术的结合，将带来一种全新的高速、安全、高容量的无线通信方式，具有广阔的应用前景。2005年提出了在量子域内无线通信网络中的量子路由算法，对已建立路由后量子态的传递进行研究，这是首次对将量子技术结合无线通信网络问题的研究。2006年提出了一种基于量子纠缠的无线网络媒质接入控制的模型，并提出了相应的媒质接入控制算法。2007年提出了基于纠缠关联的数据链路层量子通信协议，并在此基础上设计了用于量子通信网络的选择重传量子同步通信协议。2010年提出了量子广播信道协议。同年提出了相关协议对量子通信网络中的网络容量和信道编码问题进行了研究。2011年研究了量子隐形传态网络的互连和路由问题。2013年对基于隐形传态的Ad hoc量子通信网络中路由协议进行了研究。2014年对基于部分纠缠态的分布式无线量子通信网络中路由协议进行了研究。这些研究为量子通信网络协议的设计分析奠定了基础。
以上国内外研究现状说明，无线量子通信网络的研究还处于起步阶段，需要对该网络结构、资源分配、量子信道特性、量子信息传输和路由协议等问题进行进一步深入研究，为将来构建大规模无线量子通信网络提供理论依据并做好技术储备。
在基于纠缠态的无线量子通信网络中，由于需要通过量子信道传输量子态，同时又需要通过无线信道传输测量结果或处理结果，因此量子通信网络中的源节点和目的节点间需要同时存在有量子信道和经典的无线信道。其中量子信道会随着分发的纠缠粒子对的变化而变化，所以无线量子通信网络与传统的无线网络相比，网络的拓扑结构更容易发生改变。在无线量子通信网络中，路由协议的主要作用是监控网络拓扑结构的变化，包括量子信道和无线信道的变化，为源和目的节点提供可达路径。
发明内容
技术问题：本发明提供一种可以解决网络的安全性问题,提高网络容量，同时利用量子信息传输的瞬时性提高网络性能的基于纠缠态的无线Mesh量子通信网络。本发明同时提供一种能有效地监控网络拓扑结构的变化，包括量子信道和无线信道的变化，保证了信息传输安全性的用于上述基于纠缠态的无线Mesh量子通信网络的路由方法。
技术方案：本发明的基于纠缠态的无线Mesh量子通信网络，该网络定义如下：网络拓扑是骨干网型Mesh结构，网络节点为具有无线通信功能的量子设备，相邻节点间存在有量子信道和经典的无线信道，节点间通过量子隐形传态传输量子信息；该通信网络中，任意两节点如果存在共享的纠缠粒子对，则认为这两个节点间存在量子信道；经典信道作为辅助信道，主要用于转发路由信息和量子隐形传态的测量结果，每个骨干网中的无线量子节点都是一个路由器，携带周围节点的路由信息，并具有自由选路功能，多个无线量子节点组成网络主干，它们之间通过无线信道和量子信道相连，并且具有自动路由配置功能。
本发明相应的网络模型如图1 所示，虚线表示两节点间存在量子信道，实线表示存在经典的无线信道。储存有纠缠粒子的量子节点分布在这个网络中。灰色阴影区域为无线Mesh骨干网，骨干网中两个量子节点相连意味这两个量子节点共享纠缠态。
从图1上可以看出，A网和B网之间没有直接的量子通路，量子信息不能直接传送过去，但A网和B网分别和无线Mesh骨干网中某个无线量子节点相连。A网络中的一个节点可以通过无线Mesh骨干网连接到B网络中的一个节点。基于纠缠态的无线Mesh量子通信网络的一次通信过程如下：A网中先把经典信息转化为量子信息，该量子信息通过与无线Mesh骨干网的量子信道传送到骨干网上。骨干网根据路由方法选择相应的路径，经过多次隐形传态将量子信息转发给B网。
本发明用于基于纠缠态的无线Mesh量子通信网络的路由方法，针对上述的基于纠缠态的无线Mesh量子通信网络，包括以下步骤：
a. 当源节点（S）需要传输携带信息的量子态给目的节点（D）时，所述源节点先检查自己的路由表中是否存在目的节点的信息，即检查目的节点是否是其相邻节点，如果是，即结束本路由方法流程；否则，源节点就发起一个路由发现过程，即通过无线信道广播一个量子路由请求消息；
b. 源节点广播量子路由请求消息后，中间节点收到该路由请求消息，首先根据源节点地址和请求序列号检查是否收过相同的路由请求消息，若收到过同一源节点相同的序列号路由请求消息，就丢弃本次收到的路由请求消息，否则更新路由请求消息中的上一跳节点地址为当前节点地址，然后再广播该路由请求信息；
c. 经过中间节点的广播转发，目的节点将收到来自不同相邻节点的相同路由请求消息，目的节点接收到第一条量子路由请求后，等待一段固定的时间，收到多条相同序列号的路由请求后，忽略相同序列号的量子路由请求，然后目的节点向其所有相邻节点广播一个量子路由发现消息，该消息中包含了源节点S的地址，同时也包含了一个记录了从源节点到目的节点的量子路径的路由记录域；
d. 当网络中的一个量子节点接收到量子路由发现消息以后，它将自己的地址ID加入到路由记录域的队尾，接着该量子节点继续将除了路由记录域中已记录的量子节点和源节点的地址外、更新过的量子路由发现消息转发给自己的相邻节点，同时该量子节点检查源节点S是否是它的相邻节点，如果是，则该量子节点就创建一个量子路由确认消息并进入步骤e；否则，继续转发量子路由发现消息给相邻节点，所述量子路由确认消息中包含一个记录了每条量子路径上路由度量的路由度量域；
e.该量子节点就复制路由记录域，将自己的地址加到路由记录域的队尾，更新自己与源节点之间的路由度量，将路由度量域中的其他节点置零，并通过无线信道给路由记录域中记录了地址ID的量子节点发送此量子路由确认消息；当路径中的量子节点收到量子路由确认消息后，先检查路由度量域中上一跳节点地址与量子路由确认消息中的上一跳节点地址是否一致，并且检查自己的地址对应的路由度量值是否为零，如果地址不一致或者对应的路由度量值不为零，则丢弃这个消息；否则更新该量子节点在量子路由确认消息中的路由度量值，并将量子路由确认消息中上一跳节点值设为本节点地址；
f. 最后，目的节点收到量子路由确认消息后，在其路由表中添加目的节点到源节点的路由信息，从而建立从源节点到目的节点的路由，完成路由发现过程。
进一步的，本发明方法中的路由请求消息格式如图2所示，包括请求序列号、源节点地址、目的节点地址以及上一跳节点地址，所述请求序列号用来识别不同的路由请求消息；所述步骤a中源节点每产生一个新的路由请求消息其请求序列号加1，并将上一跳节点地址设为源节点地址。
进一步的，本发明方法步骤c中广播的量子路由发现消息格式如图3所示，包括源节点地址、目的节点地址、上一跳节点地址以及路由记录域。
进一步的，本发明方法步骤d中的量子路由确认消息格式如图4所示，包括源节点地址、目的节点地址、上一跳节点地址以及路由度量域。
进一步的，本发明方法步骤d中，路由度量域是纠缠粒子对数、跳数和传输时延中的任一种。
本发明方法中，网络中的节点根据相应的路由度量选择路由，节点之间通过经典的无线信道传递路由信息，通过量子隐形传态传递量子信息。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
无线量子通信网络的量子信道会随着分发的纠缠粒子对的变化而变化，与传统的无线网络相比，网络的拓扑结构更容易发生改变。本发明将Mesh结构应用于无线量子网络，提出了一种基于纠缠态的无线Mesh量子通信网络。不仅可以解决网络的安全性问题, 还可以提高网络容量，同时利用量子信息传输的瞬时性，提高网络性能。本发明也提出了该网络中的路由方法，该路由方法能有效地监控网络拓扑结构的变化，包括量子信道和无线信道的变化，保证了信息传输的安全性。
附图说明
图1为基于纠缠态的无线Mesh量子通信网络模型；
图2为量子路由请求消息格式；
图3为量子路由发现的消息格式；
图4为量子路由确认消息格式；
图5为本发明实施例中QRSR消息的广播；
图6为本发明实施例中QRF消息的转发；
图7为本发明实施例中QRA消息的转发。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。
下面是本发明所述方法的一个具体实施例。整个过程如下：
1. 首先源节点（S）检查自己的路由表发现不存在目的节点的信息，如图5示，虚线代表两个量子节点之间存在经典的无线信道和量子信道。在基于量子隐形传态的无线量子通信网络中，随着量子态信息的传输，节点间纠缠粒子对会不断被消耗，有可能要重新进行纠缠粒子的分发，而量子节点的路由表中的路由信息在一定时间都认为有效，因此源节点（S）要实时地向周围节点广播量子路由请求消息(Quantum Route Setup Request，QRSR)。QRSR用于确认是否存在从源节点到目的节点（D）的量子通路，可以避免无效的广播转发。
2. 源节点广播量子路由请求消息后，中间节点收到该路由请求消息，首先根据源节点地址和请求序列号检查是否收过相同的路由请求消息，若收到过相同的序列号路由请求消息，就丢弃本次收到的路由请求消息，否则更新路由请求消息中的上一跳节点地址为当前节点地址，然后再广播该路由请求信息，这样可以避免重复广播或者在不存在量子信道的节点间广播路由消息。
3.经过网络的转发，目的节点可能会收到多条路径转发过来的路由请求，比如QRSR：{1,S,D,C}; {1,S,D,I}等。目的节点接收到第一条量子路由请求后，等待一段固定的时间T，以确认能收到多条相同序列号的路由请求，然后再忽略相同序列号的量子路由请求。
4.目的节点确认收到源节点广播的QRSR消息以后，就进行量子路由发现消息（Quantum Route Find，QRF）的转发， 该消息中包含了源节点的地址，同时也包含了一个记录了从源节点到目的节点的量子路径的路由记录域，如图6所示，图中的报文省略了上一跳节点地址。QRF消息的转发可以发现整个网络中的量子通路。源节点会收到目的节点转发而来的QRF消息，包含了整个网络的路由信息。
5.源节点收到QRF消息以后根据QRF消息中的路径向目的节点发送量子路由确认的消息(Quantum Route Acknowledgement，QRA)。以路由度量为传输时延为例，如图7所示，图中量子信道上标注的数字为传输时延。量子隐形传态的传输时延跟量子测量，纠缠粒子和距离等有关，所以每一次量子隐形传态的传输时延都有可能不一样。图7的QRA省略了源节点地址、目的节点地址和上一跳节点地址，只保留了路由度量域(Route Metric Field，RMF)。图中只展示了两条量子路径S-A-H-C-B-D和S-A-F-J-G-I-E-B-D。经过QRA的转发，每条量子通路上的路由度量都可以被检测到，完成整个无线量子通信网络的路由表的一次更新。最后网络可以根据路由表上的信息选择合适的路径。
上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。