量子网络OSI堆栈重构:需求、技术、挑战与未来方向
量子通信有望成为下一代网络的基础性要素,在安全性、基于纠缠态的连接性及计算卸载等方面带来变革性能力。然而,为确定性和容错系统设计的经典OSI模型无法支持量子特有的现象,如相干性脆弱、概率性纠缠态和不可克隆定理。本文全面调研并提出了面向7G量子网络的OSI模型架构重构方案,通过扩展经典模型引入第0层(量子基底)和第8层(认知意图),构建量子融合OSI协议栈,支持通过大语言模型和量子机器学习实现的纠缠态、隐形传态及语义编排。各层级均被重新定义以纳入量子机制,包括增强型MAC协议、保真度感知路由和数字孪生应用。该研究整合了IEEE、ACM、MDPI、arXiv和Web of Science(2018-2025)的150余项研究成果,按OSI层级、使能技术(如量子密钥分发、量子纠错、后量子密码学、可重构智能表面)及应用场景(卫星量子密钥分发、无人机群、量子物联网)进行分类,提出了跨层使能技术分类体系(如混合量子-经典控制、元数据驱动编排、区块链集成量子信任),并介绍了NetSquid、QuNetSim、QuISP等仿真工具。研究工作展示了包括量子医疗遥测、纠缠态车联网及卫星网格覆盖在内的多个领域应用,提出基于熵吞吐量、相干时延和纠缠保真度的评估框架。未来重点方向包括可编程量子协议栈、数字孪生及AI定义的量子网络代理,为构建面向7G及更远未来的可扩展、智能化且符合量子特性的OSI框架奠定基础。
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