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        基于數(shù)據(jù)鏈路層的選擇重傳協(xié)議*

        2013-09-11 07:21:02周小清
        吉首大學學報(自然科學版) 2013年2期
        關(guān)鍵詞:傳態(tài)鏈路層量子態(tài)

        陳 璽,周小清,趙 晗,張 沛

        (吉首大學物理與機電工程學院,湖南 吉首 416000)

        基于數(shù)據(jù)鏈路層的選擇重傳協(xié)議*

        陳 璽,周小清,趙 晗,張 沛

        (吉首大學物理與機電工程學院,湖南 吉首 416000)

        在量子網(wǎng)絡(luò)的2個站點間通信時,數(shù)據(jù)幀中出現(xiàn)誤碼時就要重新發(fā)送,這樣雖然保證數(shù)據(jù)的正確性,卻增大了通信的壓力.為了減輕信道壓力并且提高選擇重傳協(xié)議的傳輸效率,從量子態(tài)的復(fù)制,隱形傳送的過程入手,對現(xiàn)有的選擇重傳協(xié)議進行了分析,并引入了緩存,改進了數(shù)據(jù)鏈路層的選擇重傳協(xié)議.對改進前后協(xié)議的效率和信道的利用率做了比較,為以后尋求更加高效快捷的通信方式提供依據(jù).

        量子通信;數(shù)據(jù)鏈路層;協(xié)議;傳輸效率

        量子通信利用量子糾纏效應(yīng)進行信息傳遞通訊.高效、快捷的量子通信不可避免地需要大量的量子態(tài)復(fù)制,然而量子不可克隆理論[1]指出量子態(tài)是不能精確復(fù)制的,從而限制了量子通信的發(fā)展.量子力學和信息科學快速的發(fā)展,為量子通信提供了必要的前提.1993年Bennett,Brassard等[2-12]提出在理論上實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)的可能性,隨后量子態(tài)的Bell基測量[3-11]在理論上實現(xiàn)了利用W態(tài)和GHZ態(tài)[10-11,13]在通信雙方共同擁有1對貝爾基糾纏態(tài)作為量子信道下的量子隱形傳態(tài),同時各國科學家也努力在實驗上尋找突破,文獻[1]第1次實現(xiàn)了量子隱形傳送之后,更激起了廣大研究者的熱情,很多研究者都在為量子通信實現(xiàn)高效、快捷、安全的通信協(xié)議而努力,停等協(xié)議[14]最先被提出,但其通信效率不高.選擇重傳協(xié)議[15]、利用三粒子糾纏態(tài)實現(xiàn)令牌環(huán)量子隱形傳態(tài)網(wǎng)絡(luò)的量子網(wǎng)絡(luò)模型[16-17]、點到點量子隱形傳態(tài)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)與路由策略[18]、保真度通信質(zhì)量的標準不僅改變了傳統(tǒng)的通訊方式,而且較傳統(tǒng)的通訊方式更高效快捷.

        1 量子通信

        1.1 量子態(tài)的隱形傳送

        由量子力學的不確定性原理可知,精確地提取原量子態(tài)所包含的全部信息是很難的.可以通過經(jīng)典和量子2個信道共同將信息傳送給乙,乙方獲得這2種信息之后,就可以在自己原有粒子的基礎(chǔ)上構(gòu)造出甲原有的量子態(tài),在這個過程中,甲所擁有的粒子一直留在甲方,只將甲的信息傳遞給乙.量子隱形傳態(tài)的基本思想:為實現(xiàn)傳送未知量子態(tài)|ψ〉,必須在發(fā)送者(甲)和接收者(乙)之間共享1個糾纏的量子態(tài)作為信道,即EPR糾纏對.(1)發(fā)送者甲對未知量子態(tài)|ψ〉與所擁有的EPR對中的1個粒子進行Bell基測量.(2)將測量結(jié)果通過經(jīng)典信道傳送給接收者乙,乙根據(jù)收到的經(jīng)典信息對其所擁有的EPR對中的另1個粒子實施相應(yīng)的幺正變換,這樣就可以在乙處制造出原物的完美復(fù)制品.在這個過程中,原粒子始終留在甲處,且在發(fā)送者進行測量及提取經(jīng)典信息時已經(jīng)遭到破壞,接收方僅僅是將自己手中的粒子變換成與原粒子完全相同的量子態(tài),整個過程并不違背量子不可克隆定律[1].量子隱形傳態(tài)的基本原理如圖1所示.

        圖1 量子隱形傳態(tài)原理

        1.2 量子態(tài)的復(fù)制

        要在甲和乙之間進行量子通信,量子態(tài)的復(fù)制是不可避免的,“單個量子不可能被克隆”在一段時間內(nèi)成為限制量子通信發(fā)展的一道不可逾越的鴻溝,隨著科學的發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn)量子態(tài)不可以得到精確的復(fù)制品,但是可以概率復(fù)制,正是由于克隆和復(fù)制這兩者的區(qū)別才使得量子通信得到迅猛的發(fā)展.量子不可克隆定理斷言,非正交態(tài)不可以克隆,但是并沒有排除非精確克隆的可能性.

        為了表征量子態(tài)復(fù)制的正確性,通常引入保真度作為衡量的尺度.設(shè)輸入態(tài)位為|φ0〉,輸出態(tài)位為ρ,則保真度F定義為

        量子態(tài)的復(fù)制過程如下:

        其中|0〉和|1〉表示輸入模的態(tài),等號的右邊|k〉|l〉和|m〉|n〉表示輸出態(tài),復(fù)印機的態(tài)定要求正交歸一,x〈這些參數(shù)選取就會導致量子態(tài)破壞的程度,也就是輸出態(tài)的保真度發(fā)生變化.根據(jù)文獻[1]可知,具有N個輸入模和M個輸出模(M>N),并且可以證明保真度最高可達到

        以上考慮的是1個輸入模、2個輸出模的量子態(tài)的復(fù)制,這時最大保真度達到5/6.[1]

        2 數(shù)據(jù)鏈路層選擇重傳協(xié)議

        圖2 收發(fā)雙方傳輸數(shù)據(jù)過程

        發(fā)送方在發(fā)送數(shù)據(jù)幀的同時還要接收來自接收方的確認幀,并把發(fā)送的數(shù)據(jù)幀和接到的確認幀一同交給緩存,緩存中的計數(shù)器根據(jù)確認幀的序號把成功傳送的幀沖掉.只要與主機相連的接口信息處理機中還有空間,那么就能保證數(shù)據(jù)幀源源不斷地儲存到緩存中.因為只返回確認幀,所以信道的壓力就減小了,整個過程是由量子信道來完成的,從而經(jīng)典信道的壓力就得到了緩解.因為利用量子信息傳輸?shù)乃矔r性特點,所以傳輸?shù)男实玫教嵘?,收發(fā)雙方待輸數(shù)據(jù)過程如圖2所示.量子選擇重傳協(xié)議的過程如下:

        發(fā)送方.(1)主機先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀進行編號,如果編號字段為n位,編號范圍則為0~2n-1; (2)傳輸數(shù)據(jù)幀的同時將量子幀發(fā)送到緩存,并且立即啟用緩存中相應(yīng)的量子幀時鐘;(3)根據(jù)每個量子幀時鐘,對沒有接收到確認幀的幀進行超時重發(fā);(4)緩存中設(shè)置2個計數(shù)器,一個表示存入緩存中幀的數(shù),另一個表示接到的確認幀的數(shù),兩者之差就是緩存中存放幀的個數(shù);(5)發(fā)送方接收到對方發(fā)來的確認幀后,就刪除緩存中相應(yīng)序號的幀;(6)若幀的個數(shù)達到緩存的最大容量,則節(jié)點就給主機發(fā)送等待信號,禁止主機再發(fā)數(shù)據(jù),直到緩存出現(xiàn)空間,節(jié)點就會給主機發(fā)送續(xù)傳信號,傳輸繼續(xù);(7)若編號超過2n-1,則主機會自動等待,直到緩存中數(shù)據(jù)幀全部正確傳輸被刪除,再進行重新編號傳輸.

        接收方.(1)等待;(2)收到1個量子幀時,立即對其進行自動糾錯;(3)把經(jīng)過自動糾錯的量子幀送至接收緩存中,并按量子幀的編號進行存放;(4)經(jīng)判斷正確接收的量子幀立即送交主機,同時給發(fā)送方發(fā)送相應(yīng)量子幀序號的確認幀,并把接收方緩存中相同序號的量子幀也可丟棄;(5)把經(jīng)判斷沒有正確接收的幀編號賦值給接收變量,等待發(fā)送方重新發(fā)送1幀;(6)將重復(fù)接到的量子幀(錯誤重發(fā)和超時重發(fā))執(zhí)行步驟(2)至(4);(7)由于發(fā)送方?jīng)]有在設(shè)定的時間內(nèi)接到確認幀,于是發(fā)送方重新發(fā)送1幀,此刻接收方丟棄這樣的幀,并且重新發(fā)送確認幀給發(fā)送方以免再次重發(fā).

        3 引入緩存前后協(xié)議效率的比較

        由量子選擇重傳協(xié)議的工作原理[1]可知:數(shù)據(jù)幀在未達到緩存最大容量的前提下,發(fā)送方則持續(xù)傳送數(shù)據(jù)幀,不必每發(fā)1幀都等待接收方返回確認幀;接收方持續(xù)接收數(shù)據(jù)幀同時,并通過全雙工電路返回確認幀.設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù)幀的編號為2n-1個,tf為發(fā)送1幀所用時間,tp為傳輸時延,則返回確認幀所用的時間要小于發(fā)送數(shù)據(jù)幀的時間,并且確認幀信息很短,處理所用的時間很小可以忽略.無緩存的量子選擇重傳協(xié)議示意圖如圖3所示.

        不加緩存發(fā)送2n-1幀的傳輸效率為

        引入緩存之后,發(fā)送1個確認幀的時間約等于傳輸時延tp,接收方持續(xù)接收數(shù)據(jù)幀同時,并通過全雙工電路返回確認幀.有緩存的量子選擇重傳協(xié)議示意圖如圖4所示.

        該協(xié)議的傳輸效率為

        由此可見,只要緩存中編碼字段n足夠大,E2無限接近于1,與之前的停止等待協(xié)議相比較,大大提高了傳輸?shù)男?由于省去了傳輸時延tp,等待的時間大大縮減了,所以信道的利用率也得到提高.

        圖3 無緩存的量子選擇重傳協(xié)議

        圖4 有緩存的量子選擇重傳協(xié)議

        4 結(jié)語

        在數(shù)據(jù)鏈路層的選擇重傳協(xié)議的前提下,闡述數(shù)據(jù)鏈路層帶緩存的量子選擇重傳協(xié)議.在網(wǎng)絡(luò)中2站點之間把以比特為單位進行數(shù)據(jù)傳輸改為以幀為單位進行傳輸,如果數(shù)據(jù)錯誤只要重新發(fā)送錯誤的1幀即可,這樣就避免了因數(shù)據(jù)錯誤要把所有數(shù)據(jù)重發(fā)的風險,減小了信道的壓力.在發(fā)送方和接收方都加上緩存,只要緩存空間足夠大就能保證數(shù)據(jù)持續(xù)不斷的傳輸,并計算了采用該協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)時信道的傳輸效率.結(jié)果表明:這樣不僅增加了信道的利用率,而且提高了信道傳輸?shù)男?和以往的選擇重傳協(xié)議相比較,帶緩存的量子選擇重傳協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)更高效,信道利用率更高.

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        (責任編輯 陳炳權(quán))

        Protocol of Selective Repeat Based on the Data Link Layer

        CHEN Xi,ZHOU Xiao-qing,ZHAO Han,ZHANG Pei
        (College of Physics Science and Information Engineering,Jishou University,Jishou 416000,Hunan China)

        Qubits must be sent again when some qubit errors occur in the data frame in the quantum network between the two communicate sites.Although this repeat guarantees the data accuracy,the pressure of the communication channel is increased.In order to reduce the pressure of the channel and improve the efficiency of selective repeat protocol,the authors analyze the existing selective repeat protocol from the process of quantum states’replication and teleportation.So the cache of the channel is introduced and the selective repeat protocol of the data link layer is improved.Furthermore,the authors compare the efficiency of protocol and the utilization ratio of channel with previous scheme and provide a reference for seeking more effective and efficient communication means.

        quantum communication;data link layer;protocol;transport efficiency

        TP393.5

        A

        10.3969/j.issn.1007-2985.2013.02.010

        1007-2985(2013)02-0046-04

        2013-02-26

        湖南省自然科學基金資助項目(11JJ3003);湖南省科技計劃研究項目(2010FJ3081)

        陳 璽(1983-),男,河南周口人,吉首大學物理與機電工程學院碩士生,主要從事光與物質(zhì)的相互作用研究

        周小清(1963-),男,湖南澧縣人,首大學物理與機電工程學院教授,碩導,主要從事量子信息研究.

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