基于量子密钥分发的直接序列扩频通信系统的制作方法

1.本实用新型涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于量子密钥分发的直接序列扩频通信系统。


背景技术：

2.扩频通信系统在普通数字通信系统的发送端和接收端分别增加扩频模块和解扩模块。扩频通信系统在信道编码后利用扩频模块对信号进行扩频，再利用载波调制的方法发送扩频后的信号，然后接收端先对接收到的信号首先进行解扩处理，再对信号进行解调和译码以还原出基带信号。这里要求解扩使用的随机码必须与扩频时使用的扩频码的码型、码率相同，因此系统需要进行随机码同步。
3.直接序列扩频系统在扩频通信中使用最广泛的一种方式。直接序列扩频系统使用一组随机码来表示信息码元去调制载波，通常可以选择任何调制方式，最常用的一种调制方式，例如将发送的信息序列与伪随机序列模2相加，完成扩频，扩频后的序列进行载波调制得到发送信号。在接收端，利用与发送端同步的相同随机序列，与接收到的信号再进行模2相加运算实现解扩，再经过信号解调后，可以恢复发送端的原始信码。
4.传统扩频通信的扩频码用的是伪随机数。目前，随着量子计算机的出现，基于算法的伪随机数面临越来越大的安全威胁。而且经典伪随机数的前向安全风险是无法弥补的，一次破译可能意味着一段时间内的信息都被破解，所以只能通过不断更换主密钥来确保整个系统的安全，而主密钥的递送又意味着建立一套完善的管理体系和一支可靠的人员队伍，成本极大且递送过程风险不可控因素较多。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的上述问题，本技术提出了一种基于量子密钥分发的直接序列扩频通信系统，其中借助量子密钥分发过程利用量子密钥分发设备为直接序列扩频通信系统提供真随机数，为扩频码生成提供额外的信息熵，增加不可预测性，从而提高信道的安全性。
6.具体而言，本实用新型涉及一种基于量子密钥分发的直接序列扩频通信系统，其包括发射机和接收机，其中，所述发射机被设置用于利用扩频码对数据信号进行扩频以便生成已扩频调制的射频信号，所述接收机被设置用于利用所述扩频码对所述已扩频调制的射频信号进行解扩以便获得所述数据信号，其特征在于：
7.所述发射机中设置有第一量子密钥分发设备，所述接收机中设置有第二量子密钥分发设备和用于量子密钥分发的同步光模块；
8.所述第一量子密钥分发设备和所述第二量子密钥分发设备被设置用于借助点对点自由空间量子密钥分发过程或者基于密钥中继的量子密钥分发过程生成相同的量子密钥；并且，
9.所述扩频码是基于所述量子密钥生成的。
10.进一步地，所述发射机还包括信号源、扩频模块、第一扩频码产生模块、本地振荡器、调制模块和发射天线；以及，所述接收机还包括混频模块、本地振荡器、解扩模块、第二扩频码产生模块、扩频同步模块、解调模块和接收天线。
11.更进一步地，所述第一量子密钥分发设备被设置成直接将所述量子密钥作为随机数提供给所述第一扩频码产生模块；所述第二量子密钥分发设备被设置成直接将所述量子密钥作为随机数提供给所述第二扩频码产生模块。
12.更进一步地，所述发射机还包括第一密钥扩展算法模块，其被设置成利用密钥扩展算法对所述量子密钥进行扩展运算，生成随机数以用于所述第一扩频码产生模块；所述接收机还包括第二密钥扩展算法模块，其被设置成利用密钥扩展算法对所述量子密钥进行扩展运算，生成随机数以用于所述第二扩频码产生模块。
13.优选地，所述发射机还包括第一随机性检测模块，其被设置用于对由所述第一密钥扩展算法模块产生的所述随机数进行随机性检测；所述接收机还包括第二随机性检测模块，其被设置用于对由所述第二密钥扩展算法模块产生的所述随机数进行随机性检测。
14.进一步地，所述第一和第二扩频码产生模块被设置成基于所述随机数生成所述扩频码；
15.所述扩频模块被设置成将所述数据信号与所述扩频码进行相乘或模二相加处理，生成扩频信号；
16.所述调制模块被设置成利用所述扩频信号对本地载波信号进行调制，生成所述已扩频调制的射频信号；
17.所述混频模块被设置成对所述已扩频调制的射频信号进行混频处理；
18.所述解扩模块被设置成利用所述扩频信号对经混频处理的所述已扩频调制的射频信号进行解扩处理；
19.所述解调模块被设置成对经解扩处理的信号进行解调，生成所述数据信号。
20.进一步地，所述接收机还可以包括信号放大模块，其被设置成在所述混频模块之前对所述已扩频调制的射频信号进行放大处理。
21.优选地，所述扩频同步模块还可以被设置成利用所述同步光模块输出的同步信号进行扩频同步。
22.可选地，所述基于密钥中继的量子密钥分发过程在自由空间信道或者光纤信道中进行；并且，所述基于密钥中继的量子密钥分发过程基于可信中继节点或者不可信中继节点进行。
23.优选地，所述基于密钥中继的量子密钥分发过程基于卫星在自由空间信道中进行。
附图说明
24.下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。
25.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图来获得其他的附图。
26.图1示意性地示出了根据本实用新型的、基于点对点自由空间量子密钥分发的直接序列扩频通信系统的一种示例性实施例。
具体实施方式
27.在下文中，本实用新型的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本实用新型的精神给本实用新型所属领域的技术人员。因此，本实用新型不限于本文公开的实施例。
28.图1示出了根据本实用新型的直接序列扩频通信系统的一种示例性实施例，其在现有直接序列扩频通信系统的基础上，借助点对点自由空间量子密钥分发过程，利用量子密钥分发设备为发射机和接收机中的扩频码产生模块提供完全一致的真随机数，参与收发两端的扩频码生成，以提高信道的安全性。
29.如图1所示，本实用新型的直接序列扩频通信系统可以包括发射机和接收机。
30.发射机可以包括信号源、扩频模块、第一扩频码产生模块、本地振荡器、调制模块、发射天线和第一量子密钥分发设备。
31.接收机包括信号放大模块、混频模块、本地振荡器、解扩模块、第二扩频码产生模块、扩频同步模块、解调模块、接收天线和第二量子密钥分发设备。
32.第一量子密钥分发设备和第二量子密钥分发设备用于借助量子密钥分发过程生成相同的量子密钥，其将被用于构建发射机和接收机中的随机数源。由于量子密钥具有真随机性，因此，基于量子密钥构建的随机数源为真随机数源，且基于相同量子密钥分别在发射机和接收机中实现的真随机数源可以输出完全一致的真随机数，能够满足跳频通信的需求，使得克服现有直接序列扩频通信系统中因采用伪随机数引发的问题成为可能。
33.在该实施例中，第一和第二量子密钥分发设备之间通过点对点自由空间量子密钥分发过程实现量子密钥的分发。
34.如前所述，本实用新型的直接序列扩频通信系统将基于量子密钥分发设备及其生成的量子密钥构建随机数源。
35.在一个示例中，量子密钥分发设备被直接作为随机数源使用。换言之，量子密钥分发设备输出的量子密钥直接作为真随机数提供给扩频码产生模块使用。
36.例如，在发射机中，第一量子密钥分发设备可以将通过量子密钥分发过程分发的量子密钥作为随机数提供给第一扩频码产生模块。在接收机中，第二量子密钥分发设备可以将通过量子密钥分发过程分发的相同的量子密钥作为随机数提供给第二扩频码产生模块。
37.在另一种示例中，发射机还可以包括第一密钥扩展算法模块和第一随机性检测模块，接收机还可以包括第二密钥扩展算法模块和第二随机性检测模块，因此，可以由量子密钥分发设备、密钥扩展算法模块和随机性检测模块构成随机数源。
38.例如，第一量子密钥分发设备将其中生成的量子密钥作为种子源提供给第一密钥扩展算法模块。第一密钥扩展算法模块利用密钥扩展算法对量子密钥进行扩展运算以生成新的随机数。第一随机性检测模块对经扩展运算生成的新随机数进行随机性检测，以保证其具有良好的随机数统计特性。经检测具有良好随机数统计特性的扩展的随机数被输出给第一扩频码产生模块。
39.第二量子密钥分发设备将其中生成的量子密钥作为种子源提供给第二密钥扩展算法模块。第二密钥扩展算法模块利用密钥扩展算法对量子密钥进行扩展运算以生成新的随机数。第二随机性检测模块对经扩展运算生成的新随机数进行随机性检测，以保证其具有良好的随机数统计特性。经检测具有良好随机数统计特性的扩展的随机数被输出给第二扩频码产生模块。
40.第一扩频码产生模块可以基于随机数源提供的随机数生成随机的扩频码。
41.信号源用于提供待传输的数据信号。
42.扩频模块将数据信号与扩频码进行相乘或模二相加处理，生成速率与扩频码速率相同的扩频信号，从而使数据信号的频带得到扩展。
43.本地振荡器生成本地载波信号。
44.调制模块利用扩频信号对本地载波信号进行调制，从而得到已扩频调制的射频信号。
45.发射机通过发射天线将已扩频调制的射频信号向外发射。
46.在接收机中，第二量子密钥分发设备将分发的相同的量子密钥作为随机数提供给第二扩频码产生模块。
47.第二扩频码产生模块基于随机数产生随机的扩频码，其与第一扩频码产生模块生成的扩频码一致。
48.接收天线接收到由发射机发射的已扩频调制的射频信号。
49.信号放大模块对接收到的射频信号进行信号放大处理，随后再借助本地振荡器和混频模块对射频信号进行混频处理。
50.解扩模块利用扩频码(其与用于扩频的扩频码一致)对经上述预处理的射频信号进行解扩处理。
51.经解扩处理的信号再由解调模块进行解调，从而获得待传输的数据信号。
52.为保证接收机和发射机中扩频码的输出在时间上的同步，接收机中还设置有扩频同步模块，用于使接收机和发射机在相同的时刻使用相同的解扩码。
53.下面将继续结合图1的实施例以示例的方式描述本实用新型的直接序列扩频通信系统的工作原理。
54.在该直接序列扩频通信系统中，例如可以借助光学天线利用大气信道实现点对点自由空间量子密钥分发过程，从而在第一和第二量子密钥分发设备中生成相同的量子密钥。
55.在图1的实施例中，直接将量子密钥作为随机数提供给扩频码产生模块。
56.因此，在发射机中，第一扩频码产生模块将基于随机数生成扩频码。
57.扩频模块将扩频码与数据信号进行相乘或模二相加处理，生成扩频信号。
58.然后在调制模块中利用扩频信号对本地载波信号进行调制，从而生成已扩频调制的射频信号。
59.最后，经由发射天线将已扩频调制的射频信号向外发射。
60.在接收机中，通过接收天线接收已扩频调制的射频信号，并对其进行放大和混频等预处理。
61.第二扩频码产生模块基于随机数生成扩频码，然后在解扩模块中利用扩频码对经
预处理的射频信号进行解扩处理，得到中频调制信号。
62.最后，对中频调制信号进行解调处理，从而得到待传输的数据信号。
63.在直接序列扩频通信系统的进一步实施例中，还可以将用于量子密钥分发过程的同步光模块用于扩频同步。由于同步光模块的同步精度通常可以达到皮秒量级，因此通过利用该同步光模块进行扩频同步，与扩频同步模块进行比对和相互校验，可以极大减少系统失步的可能性。
64.在基于密钥中继量子密钥分发过程的直接序列扩频通信系统的另一实施例中，直接序列扩频通信系统尤其适合用于实现收发双方距离较远或者收发双方自由空间信道有遮挡的跳频通信。
65.出于简洁的考虑，下文将仅详细描述与上述实施例不同之处，相同或者类似之处将不再赘述。
66.不同于上述实施例，在该实施例中，第一和第二量子密钥分发设备将借助密钥中继过程来实现量子密钥分发，从而在两个量子密钥分发设备中生成量子密钥。
67.从传播介质上来看，密钥中继过程既可以在自由空间信道中进行，也可以在光纤信道中进行；从中继节点的类型来看，密钥继续过程既可以基于可信量子密钥中继进行，也可以基于不可信量子密钥中继进行。
68.例如，可以借助光学天线，利用卫星平台作为可信中继节点，在自由空间信道中进行密钥中继的量子密钥分发，由此提供较高的安全性。本领域技术人员容易理解，该示例尤其适合野外环境下的跳频通信。
69.例如，还可以利用量子纠缠效应，进行贝尔不等式检测来保证量子密钥分发的安全性，由此进行不可信密钥中继的量子密钥分发。
70.在本实用新型中，首次提出借助点对点自由空间量子密钥分发技术或者密钥中继的量子密钥分发技术在直接序列扩频通信系统的发射机和接收机处分发相同的量子密钥，使得在通信双方提供完全一致的真随机数成为可能，因而可以利用量子密钥分发产生的真随机数为直接序列扩频通信系统的扩频码产生提供额外的信息熵，有效解决现直接序列扩频通信系统中因采用伪随机数带来的安全问题。此外，还进一步提出将密钥扩展算法用于实现真随机数源，提高量子密钥的利用效率，降低对量子密钥分发的性能要求，同时还借助随机数检测技术来确保扩频码的随机性，从而在确保直接序列扩频通信系统安全性的前提下改善其系统效率。另外，还提出利用量子密钥分发过程中的同步光参与扩频同步过程，以提高同步精度，有效防止失步现象的发生。
71.尽管前面结合附图通过具体实施例对本实用新型进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本实用新型的原理，其并不会对本实用新型的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本实用新型的精神和范围。