基于纠缠的滑动窗口量子通信协议研究

摘要：分析经典滑动窗口协议之后，利用量子信息传输的瞬时性建立量子信道，提出一种基于量子纠缠态的滑动窗口量子通信协议。该协议在准备阶段分发EPR关联粒子对，建立量子信道；通过发送数据帧和量子确认帧进行传输。研究表明，该协议不仅在信息传输过程中具有有效减少时延的作用，并且在远程通信和网络堵塞严重的情况下有着更加重要的价值。

关键词：量子通信；量子纠缠；滑动窗口

中图分类号： TN915.04文献标识码：A文章编号：1005-3824（2014）03-0004-04

0引言

近几年来，随着人们对于网络信息传输质量的要求越来越高，并且各种应用的增加导致整个网络信息量增大，亟需有效提高网络的服务质量。基于量子纠缠态理论，在数据链路层对通信协议进行分析，得到停等协议和选择重传量子通信协议，可以明显减少信息在链路中的传输时延，有效提高信息在链路中的传输速率[12]。但是，选择自动重传协议对于每一个发送的数据帧都要求进行应答，一定程度上加重了通信负担；滑动窗口协议只要求对于一定量的数据帧发送一个应答即可，将有效简化通信过程。因此，研究基于量子纠缠态的滑动窗口通信协议具有一定的意义。本文利用量子理论中量子纠缠态，提出一种基于数据链路层的滑动窗口量子通信协议，并对该协议进行分析。

1量子纠缠态

量子信息学是近20多年来由量子理论、信息科学以及计算机科学相结合起来的新型学科[3]，主要利用量子态的特性，探索以全新的方式对信息进行存储、计算、编码和传输的可能性[45]。量子纠缠态是量子光学和量子信息学领域中的一个重要概念，量子态的纠缠是量子信息工程中的重要资源，并广泛应用于量子通信和量子计算的理论研究中[67]。量子纠缠现象最先是由（einsteinpodolskyrosen，EPR）发现的量子力学的特殊现象，对于2个或多个量子系统之间的非定域、非经典的关联性描述，是量子系统内各个子系统或各自由度之间关联的力学属性。那么，量子纠缠态是实现信息高速传输的不可破译通信的理论基础[4]。由量子纠缠交换实现量子远程通信，表明量子状态的转移是瞬间实现的，极大缩短了通信时间。

2滑动窗口通信协议

滑动窗口协议是基于数据链路层允许多个数据帧同时进行信息传输以此来提高传输效率而提出的[8]。对于每一个数据帧用一定位数的二进制标识，并限定每个窗口的最大传输的数据帧数。同时，分别在发送方设置发送窗口，接收方设置相应的接收窗口；接收方不必对每一个数据帧进行应答，只需对这个窗口的最后一个数据帧进行应答，表示整个窗口的所有数据帧接收正确，之后接收下一个窗口的数据。对于当产生错误或者丢失一个、多个数据帧时，需要重传这个窗口的所有数据帧。

对于滑动窗口协议，假如待传送的数据帧为m个，每个滑动窗口最多N个数据帧，且每个数据帧在传输的过程中出错和丢失的概率为p。假定每个数据帧的发送时延为ta，数据帧沿发送链路从发送端到接收端的传输时延为tp，接收端接收到数据帧的所用的处理时延为tpr，接收端发送确认帧的发送时延为tb，确认帧在链路中的传输时延为tp，假设发送端的处理时延也同为tpr。由于数据帧的传输过程中是连续发送，则存在数据帧之间传输时间的重叠。即设时间重叠的系数为β，则0≤β<1，重叠时间为βt，当β=0时，重叠时间为0，即只一个数据帧进行传输；同时数据帧的发送时间有先后顺序，不可能同时发送所有数据帧，那么数据帧之间的发送时间不能完全重叠，β不能等于1。因此，一个数据帧从发送端到接收端的传输时间为

也就是说，如果出错或丢失的数据帧越多，则滑动窗口量子通信协议将越有效；并且在无差错信息传输中滑动窗口量子通信协议也将比选择连续重传量子通信协议更好。可得出：在单一一个窗口的出错或丢失需要重传的数据帧的概率为p1=y/x，那么对于所有的数据帧有：当p1>c+1xt4+t5（t4+t5）x-1时，滑动窗口量子通信协议比选择连续重传量子通信协议更优。因此，滑动窗口量子通信协议在远程通信和通信信道较差、出错率很高以及传输时延很高的情况下具有更明显的优势。

4结论

利用量子力学中的量子纠缠态，提出了一种基于数据链路层的滑动窗口量子通信协议。该协议在链路的空闲时段通过量子纠缠态的分发建立量子信道，信息的发送通过经典信道进行传输，而后通过量子信道进行反馈确认信息来完成。由于确认量子信息传输的瞬时性，可有效减少信息的传输时间，提高了链路的吞吐量。通过与选择连续重传量子通信协议对比，滑动窗口量子通信协议在十分严峻的环境和远程通信中能够更好地提高信息的传输效率，特别是在卫星通信方面将有更大作用。但是对于所需要重传的数据帧是整个窗口的所有数据帧进行重传，但是整个窗口的所有数据帧并不是全部都出错或丢失需要重传，有的数据帧是完整接收依然被丢弃重传，造成了一些不必要的数据帧的传输，信道的利用率下降。如果能够对于滑动窗口量子通信协议中需要重传的数据帧进行选择性重传将是更有效的解决方案。参考文献：

[1]周南润，曾贵华，龚黎华，等.基于纠缠的数据链路层量子通信协议[J].物理学报，2007，56（9）： 50665070.

[2]周南润，曾宾阳，王立军，等.基于纠缠的选择自动重传量子同步通信协议[J].物理学报，2010，59（4）：21932199.

[3]王剑，陈皇卿，张权，等. 基于纠缠交换的量子安全通信协议[J].国防科技大学学报，2007，29（2）：5660.

[4]陈汉武. 量子信息与量子计算简明教程[M].南京：东南大学，2006.

[5]周小清，邬云文. 量子隐形传态网络的广播与组播[J].物理学报，2012，61（17）：16.

[6]LEUNG D，OPPENHEIM J，WINTER A. Quantum network communication—the butterfly and beyond[J].IEEE Transactions on Information Theory， 2010， 56（7）：34783490.

[7]唐彦.量子通信及其实现的关键性问题探讨[J].数字通信，2013，40（5）：710.

[8]赵静，张来保，张健.连续重传协议和选择重传协议的性能分析[J].通信技术，2003（1）：7088.

作者简介：

赵荣珍（1960），女，山东枣庄人，博士，教授，研究方向为故障诊断与转子动力学；卢石磊（1989），男，河南人，硕士研究生，研究方向为计算机通信。

（责任编辑张诚）

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