1.一种基于随机数的语音信号量子加密通信系统,包括终端设备、量子通信接入点(100)、量子通信网关(101)、量子通信接入点(102);其特征在于:所述终端设备包括终端发送子系统(200)、终端接收子系统(300);
所述终端发送子系统(200)包括量子密钥协商及管理模块(201)、语音信号编码模块(202)、随机数生成模块(203)、语音信号加密模块(204)、数字调制模块(205);
所述终端接收子系统(300)包括语音信号译码模块(301)、量子密钥协商及管理模块(302)、语音信号解密模块(303)、数字解调模块(304);
一个终端设备中能够同时包含终端发送子系统(200)和终端接收子系统(300),以实现语音信号的双向通信,即同时进行语音信号的发送和接收操作;
终端发送子系统(200),用于采集语音信号、产生语音信号加密密钥、加密语音信号、调制语音通信信号,能够同时完成语音信号的压缩和加密过程;
终端接收子系统(300)用于接收语音信号加密密钥、解调语音通信信号、解密语音信号、还原语音信号,能够同时完成语音信号的解压缩和解密过程;
所述量子通信接入点(100)、量子通信接入点(102)能够转发量子信号;进一步地,能够连接2个以上不同的量子通信接入点;进一步,能够与2个以上量子通信网关(101)相连接,从而构成更复杂的量子点对点通信、单播、组播、任意播等拓扑结构,实现无基站的量子加密自由语音通信;
所述量子通信网关(101),能够完成多量子态纠缠操作,以及多量子位纠缠操作,用于向网络中不同的终端设备分配量子密钥,该密钥用于终端发送子系统(200)产生语音加密密钥,并发送给处于网络中不同的终端接收子系统(300);进一步地,能够用于向2个以上终端设备分配量子密钥,从而构成更复杂的量子点对点通信、单播、组播、任意播等拓扑结构,实现无基站的量子加密自由语音通信。
2.根据权利要求1所述一种基于随机数的语音信号量子加密通信系统,其特征在于:
所述量子通信接入点(100)在内网通信时,用于将量子密钥协商及管理模块(201)产生的量子密钥中继到目标终端设备接收子系统的量子密钥协商及管理模块(302),为内网的密钥分配及协商提供支持;在与外网终端设备通信时,用于将量子密钥协商及管理模块(201)产生的密钥中继到量子通信网关(101),并用于中继量子通信网关(101)分配给终端设备的量子密钥;
内网量子通信流程大致为:终端设备A与终端设备B通过量子通信接入点(100)的中继功能来分配和协商量子密钥Ka,终端设备A通过经典信道将由密钥Ka加密的语音信号传输给终端B。
3.根据权利要求1所述一种基于随机数的语音信号量子加密通信系统,其特征在于:
所述量子通信网关(101),能够用于记录和管理所负责网络的设备信息和通信地址;进一步地,能够用于向所负责网络的终端设备提供密钥转发服务,主要流程为:终端设备A产生语音加密密钥Ka,量子网关获得密钥Ka,并用外网通信密钥Kx加密密钥Ka;终端设备B用量子网关分配的密钥Kx解密密文后得到密钥Ka,此过程中的密钥均为量子密钥,且通信信道均为量子信道,在支持随机压缩比加密通信时,密钥Ka此时为用于调整数据帧数据的随机数。
4.根据权利要求1所述一种基于随机数的语音信号量子加密通信系统,其特征在于:
所述量子通信接入点(102)在与外网终端设备通信时,用于接收由量子网关分配的用于加密语音信号加密密钥Ka的密钥Kx,被叫终端设备B接收子系统的量子密钥协商及管理模块(302)利用Kx解密由通信呼叫终端设备A分配的密钥Ka。
5.根据权利要求1所述一种基于随机数的语音信号量子加密通信系统,其特征在于:
所述量子密钥协商及管理模块(201)用于根据随机数生成模块(203)生成的随机数来随机生成随机量子密钥,并通过量子信道传输给目标终端设备的量子密钥协商及管理模块(302),目标终端设备的量子密钥协商及管理模块随机选择测量基来接收量子密钥,量子密钥由基于相位编码的BB84协议产生,并根据密钥协商耗费时长来确定语音信号压缩比的更新周期。
6.根据权利要求1所述一种基于随机数的语音信号量子加密通信系统,其特征在于:
所述语音信号编码模块(202)包括信源采集器、信源编码器,通过抽样、量化和编码将模拟信号转化为数字信号;
语音信号编码模块(202)功能:
①、通过某种数据压缩技术设法减少码元数目和降低码元速率,码元速率决定传输所占的带宽,而传输带宽反映了通信的有效性;
②、完成A/D转换,即当信息源给出的是模拟信号时,信源编码器将其转换成数字信号,以实现模拟信号的数字化传输;
③、该模块为随机数生成模块(203)提供随机采集接口,该编码模块能够根据随机数生成模块(203)产生的随机数来控制音频数据的压缩比,能够与语音信号加密模块(204)同时工作,实现语音信号的同步压缩和加密,其过程为:发送方和接收方确定测量基,随机数量子化传输,接收方和发送方均根据随机数的值来确定压缩参数从而控制压缩比,若随机数为负值代表更新密钥。
7.根据权利要求1所述一种基于随机数的语音信号量子加密通信系统,其特征在于:
所述随机数生成模块(203),根据红外探测器和环境噪声探测器采集到的光噪声和声噪声来生成一定长度的随机数,此随机数主要用于调制随机量子态的单光子;现实环境t时刻声卡测到的音频信号电压为Vs;而红外噪声主要由背景噪声、放大器噪声和探测器的噪声组成,其电压可以表示为 则随机数生成公式可表示为:其中k代表随机数的第几位,Aα是关于离散时间Qα的环境噪声幅
值,Modα为模(将样点的幅值进行求余运算);Aβ是关于离散时间Qβ的红外噪声幅值,Modk为模(将样点的幅值进行求余运算);离散时间Qα由采样时间间隔确定,当声音设备能响应的最低声音频率为fmin且最长周期Tmax=1/fmin,用公式可以表示为τs=tf+μrNTmax,其中tf=Tmax,μr为前一随机数R[i-1],而N为大于1的经验值,可取2、3、5等简单值;Modα和Modk分别为模量,其初值为已输入噪声幅值的平均值,该值使用自学习算法来进行动态调节以保证随机数之间的无关性;随机数流根据其它模块请求的长度L和等待时间时间T来确定,将每个随机数M[k]截取a位 后连接过程随机数流,当随机数M[k]不足a位时M[k]则截取保留所有位,当随机数流长度不足L时则根据当前随机数使用RC4算法生成足够长度L的随机数,当随机数流长度过长时选取前面L位而丢弃多余位。
8.根据权利要求1所述一种基于随机数的语音信号量子加密通信系统,其特征在于:
所述语音信号加密模块(204),包括数字语音信号加密器、信道编码器,信号加密器根据所获得的量子密钥使用语音加密算法对语音数据进行加密处理,信道编码的目的是增强数字信号的抗干扰能力,能够与语音信号编码模块(202)同时工作,实现语音信号的同步压缩和加密;数字信号在信道传输时受到噪声等影响后将会引起差错;为了减小差错,信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分(监督码),组成所谓的“抗干扰编码”;
接收端的信道译码器按相应的逆规则进行解码,从中发现错误或纠正错误,提高通信系统的可靠性;在量子密钥分配完成后,本利用量子DES加密算法来加密要发送的语音信号,加密过程为:C=Ek3(Dk2(Ek1(M))),设EK()和DK()代表量子DES算法的加密和解密过程,K代表量子DES算法使用的量子密钥,M代表明文,C代表密文。
9.根据权利要求1所述一种基于随机数的语音信号量子加密通信系统,其特征在于:
所述量子密钥协商及管理模块(302),用于接收量子通信接入点中继过来的量子密钥,并根据BB84协议来协商并确定量子密钥,本量子密钥协商及管理模块还具备保存量子密钥、计算量子密钥误码率和监测量子信道质量的功能,安全密钥生成率下限为Π≥η{-ψΛf(NΛ)κγ(NΛ)+ψ[1-κ(e1)]};ψ取决于具体的协议(对于BB84协议q=1/2);ψΛ和NΛ分别为信号态总的计数率和量子比特误码率,ψ1为单光子脉冲产生的计数率,e1是单光子态的量子比特误码率,f(x)为双向纠错函数(一般有f(x)≥1),ψ2为shannon熵函数,ψ2(k)=-klog2(k)-(1-k)log2(1-k)。
10.根据权利要求1所述一种基于随机数的语音信号量子加密通信系统,其特征在于:
所述语音信号解密模块(303),包括数字语音信号解密器和信道译码器,信号解密器根据语音加密算法的对称性对语音信号进行解密处理;同时,解压缩解密后得到的语音信号,能够与语音信号译码模块(301)同时工作,实现语音信号的同步解压缩和解密;
在量子密钥分配完成后,利用量子DES解密算法来解密要已接收的语音信号,解密过程为:M=Dk1(Ek2(Dk3(C))),设EK()和DK()代表量子DES算法的加密和解密过程,K代表DES算法使用的密钥,M代表明文,C代表密文。