一种水下通信的方法及系统、一种水下自由航行器与流程

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种水下通信的方法及系统、一种水下自由航行器。

背景技术：

随着对海洋资源的开发，水下通信应用越来越多。例如：通过水下传感器等水下节点采集水下的温度、密度、盐度、酸度等数据，利用水下通信传输这些数据。

现有技术中，水下通信主要是通过无线电磁波来实现，水下通信的各个设备之间在进行数据传输时，主要是利用RSA算法、DES(Data Encryption Standard，数据加密标准)算法等传统加密算法进行加密。这些加密算法的密钥如果被泄露，各个设备之间的传输的数据就容易被窃取，而且，密钥被泄露后也无法察觉。总之，现有技术中的水下通信的安全性较低。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种水下通信的方法及系统、一种水下自由航行器，能够提高通信的安全性。

第一方面，本发明实施例提供了一种水下通信的方法，包括：

预先与水面基站建立量子通信信道，还包括：

通过所述量子通信信道获取所述水面基站共享的量子密钥；

获取待传输数据；

利用所述量子密钥加密所述待传输数据；

将加密后的所述待传输数据发送给所述水面基站。

进一步地，所述通过所述量子通信信道获取所述水面基站共享的量子密钥，包括：

通过所述量子通信信道获取所述水面基站共享的量子比特流，所述量子比特流包括预设数量个量子比特；

根据所述量子比特流，确定所述量子密钥。

进一步地，该方法进一步包括：预先保存每个水下节点的密钥；

所述获取待传输数据，包括：

接收任一所述水下节点以声波的形式发来的经过加密的密文；

确定发来所述密文的所述水下节点的密钥；

利用发来所述密文的所述水下节点的密钥解密所述密文，解密出所述待传输数据。

进一步地，所述预先与水面基站建立量子通信信道，包括：

根据第一量子比特与所述水面基站的第二量子比特构建一对纠缠的量子比特；

所述通过所述量子通信信道获取所述水面基站共享的量子密钥，包括：

获取所述水面基站对所述第一量子比特、所述第二量子比特和第三量子比特构成的量子态进行bell基测量的测量信息；

根据所述测量信息，确定所述量子密钥。

第二方面，本发明实施例提供了一种水下自由航行器，包括：

建立单元，用于与水面基站建立量子通信信道；

密钥获取单元，用于通过所述量子通信信道获取所述水面基站共享的量子密钥；

数据获取单元，用于获取待传输数据；

加密单元，用于利用所述量子密钥加密所述待传输数据；

发送单元，用于将加密后的所述待传输数据发送给所述水面基站。

进一步地，所述密钥获取单元，用于通过所述量子通信信道获取所述水面基站共享的量子比特流，所述量子比特流包括预设数量个量子比特，根据所述量子比特流，确定所述量子密钥。

进一步地，该水下自由航行器进一步包括：保存单元，用于保存每个水下节点的密钥；

所述数据获取单元，包括：

接收子单元，用于接收任一所述水下节点以声波的形式发来的经过加密的密文；

节点密钥确定子单元，用于确定发来所述密文的所述水下节点的密钥；

解密子单元，用于利用发来所述密文的所述水下节点的密钥解密所述密文，解密出所述待传输数据。

进一步地，所述建立单元，用于根据所述水下自由航行器的第一量子比特与所述水面基站的第二量子比特构建一对纠缠的量子比特；

所述密钥获取单元，包括：

获取子单元，用于获取所述水面基站对所述第一量子比特、所述第二量子比特和第三量子比特构成的量子态进行bell基测量的测量信息；

量子密钥确定子单元，用于根据所述测量信息，确定所述量子密钥。

第三方面，本发明实施例提供了一种水下通信的系统，包括：

至少一个如第二方面中任一所述水下自由航行器和水面基站；

每个所述水下自由航行器与所述水面基站相连；

所述水面基站，用于通过预先建立的量子通信信道共享量子密钥，接收所述水下自由航行器发来利用所述量子密钥加密后的待传输数据，利用所述量子密钥解密后，获得所述待传输数据。

进一步地，该系统，进一步包括：至少一个水下节点；

所述水下自由航行器，进一步包括：保存单元，用于保存每个水下节点的密钥；

所述水下自由航行器中的数据获取单元，包括：

接收子单元，用于接收任一所述水下节点以声波的形式发来的经过加密的密文；

节点密钥确定子单元，用于确定发来所述密文的所述水下节点的密钥；

解密子单元，用于利用发来所述密文的所述水下节点的密钥解密所述密文，获取所述待传输数据；

所述水下节点，用于获取所述待传输数据，对所述待传输数据进行加密生成所述密文，将所述密文以声波的形式发送给所述水下自由航行器。

在本发明实施例中，通过量子通信信道获取量子密钥，通过量子密钥来加密待传输数据，量子密钥在量子通信信道中传输的过程中，量子密钥通过量子状态来标记，如果该传输过程被窃听，就会扰动量子状态，这样量子通信信道的两端就会发觉被窃听，只需舍弃该量子密钥，即可保证量子密钥的窃取，进而提高了通信的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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获得其他的附图。

图1是本发明一实施例提供的一种水下通信的方法的流程图；

图2是本发明一实施例提供的另一种水下通信的方法的流程图；

图3是本发明一实施例提供的一种水下自由航行器的示意图；

图4是本发明一实施例提供的另一种水下自由航行器的示意图；

图5是本发明一实施例提供的一种水下通信的系统的的示意图；

图6是本发明一实施例提供的另一种水下通信的系统的的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种水下通信的方法，该方法可以包括以下步骤：

步骤101：预先与水面基站建立量子通信信道；

步骤102：通过所述量子通信信道获取所述水面基站共享的量子密钥；

步骤103：获取待传输数据；

步骤104：利用所述量子密钥加密所述待传输数据；

步骤105：将加密后的所述待传输数据发送给所述水面基站。

在本发明实施例中，通过量子通信信道获取量子密钥，通过量子密钥来加密待传输数据，量子密钥在量子通信信道中传输的过程中，量子密钥通过量子状态来标记，如果该传输过程被窃听，就会扰动量子状态，这样量子通信信道的两端就会发觉被窃听，只需舍弃该量子密钥，即可保证量子密钥的窃取，进而提高了通信的安全性。

在本发明一实施例中，所述通过所述量子通信信道获取所述水面基站共享的量子密钥，包括：

通过所述量子通信信道获取所述水面基站共享的量子比特流，所述量子比特流包括预设数量个量子比特；

根据所述量子比特流，确定所述量子密钥。

在本发明实施例中，通过量子比特流中的各个量子比特的状态来传递量子密钥，使得量子密钥更加安全，当量子密钥被窃取时，可以及时发现，进而利用其他量子密钥进行加密待传输数据，保证了通信的安全性。

举例来说，预设数量可以是64。

在本发明一实施例中，该方法进一步包括：预先保存每个水下节点的密钥；

所述获取待传输数据，包括：

接收任一所述水下节点以声波的形式发来的经过加密的密文；

确定发来所述密文的所述水下节点的密钥；

利用发来所述密文的所述水下节点的密钥解密所述密文，获取所述待传输数据。

在本发明实施例中，待传输数据可以来自水下节点。水下节点通过声波的形式来传输密文，由于声波在水中的衰减较小，且声波在水中的传播速度比较稳定，能够保证信息传递的质量。

另外，各个水下节点的密钥可以是互不相同的，这样，当其中一个水下节点的密钥被窃取后，不会对其他的水下节点造成危害，其他的水下节点仍然可以安全地传输数据。水下节点在加密时，可以通过对称加密来实现，这样可以提高信息处理的速度。

在本发明一实施例中，预先与水面基站建立量子通信信道，包括：

根据第一量子比特与所述水面基站的第二量子比特构建一对纠缠的量子比特；

所述通过所述量子通信信道获取所述水面基站共享的量子密钥，包括：

获取所述水面基站对所述第一量子比特、所述第二量子比特和第三量子比特构成的量子态进行bell基测量的测量信息；

根据所述测量信息，确定所述量子密钥。

在本发明实施例中，水面基站设置有第二量子比特和第三量子比特，第一量子比特和第二量子比特构成一对纠缠的量子比特，结合第三量子比特构成量子态，水面基站对该量子态进行bell基测量，获得测量信息。

如图2所示，本发明实施例提供了一种水下通信的方法，该方法可以包括以下步骤：

步骤201：预先保存每个水下节点的密钥。

具体地，可以预先设置密钥库，将每个水下节点的密钥保存到密钥库中。

这里的密钥可以是64位的。

步骤202：预先与水面基站建立量子通信信道。

具体地，根据第一量子比特与水面基站的第二量子比特构建一对纠缠的量子比特。

当然随着传递的信息量的需要可以构建多对纠缠的量子比特，进而可以传递更多的信息。例如可以构建64或128对纠缠的量子比特。

步骤203：通过量子通信信道获取水面基站共享的量子密钥。

具体地，获取水面基站测量对第二量子比特和第三量子比特进行bell基测量的测量信息；

根据测量信息，确定量子密钥。

步骤204：接收水下节点A以声波的形式发来的经过加密的密文。

具体地，水下节点A以本身的密钥加密待传输数据，生成密文。

步骤205：确定发来密文的水下节点A的密钥。

步骤206：利用发来密文的水下节点的密钥解密密文，解密出待传输数据。

具体地，水下节点利用对称加密算法进行加密，这里实现与加密的密钥相同的密钥进行解密。

步骤207：利用量子密钥加密待传输数据。

步骤208：将加密后的待传输数据发送给水面基站。

具体地，可以以声波的形式发送加密后的待传输数据，也可以通过量子通信信道发送待传输数据。

如图3所示，本发明实施例提供了一种水下自由航行器，包括：

建立单元301，用于与水面基站建立量子通信信道；

密钥获取单元302，用于通过所述量子通信信道获取所述水面基站共享的量子密钥；

数据获取单元303，用于获取待传输数据；

加密单元304，用于利用所述量子密钥加密所述待传输数据；

发送单元305，用于将加密后的所述待传输数据发送给所述水面基站。

在本发明一实施例中，所述密钥获取单元，用于通过所述量子通信信道获取所述水面基站共享的量子比特流，所述量子比特流包括预设数量个量子比特，根据所述量子比特流，确定所述量子密钥。

如图4所示，在本发明一实施例中，该水下自由航行器进一步包括：保存单元401，用于保存每个水下节点的密钥；

所述数据获取单元303，包括：

接收子单元3031，用于接收任一所述水下节点以声波的形式发来的经过加密的密文；

节点密钥确定子单元3032，用于确定发来所述密文的所述水下节点的密钥；

解密子单元3033，用于利用发来所述密文的所述水下节点的密钥解密所述密文，解密出所述待传输数据。

在本发明一实施例中，所述建立单元，用于根据所述水下自由航行器的第一量子比特与所述水面基站的第二量子比特构建一对纠缠的量子比特；

所述密钥获取单元，包括：

获取子单元，用于获取所述水面基站对所述第一量子比特、所述第二量子比特和第三量子比特构成的量子态进行bell基测量的测量信息；

量子密钥确定子单元，用于根据所述测量信息，确定所述量子密钥。

具体地，水面基站可以以声波的形式将策略信息发送给水下自由航行器。

具体地，第一量子比特c、第二量子比特b和第三量子a比特构成的量子态可以为：

其中，α和β满足|α|²+|β|²＝1。

当测量信息是|Φ⁺>_ab时，水下自由航行器利用I变换获得水面基站传输过来的量子信息；当测量信息是|Φ^->_ab时，水下自由航行器利用Z变换获得水面基站传输过来的量子信息；当测量信息是|Ψ⁺>_ab时，水下自由航行器利用X变换获得水面基站传输过来的量子信息；当测量信息是|Ψ^->_ab时，水下自由航行器利用-iY变换获得水面基站传输过来的量子信息。然后，根据量子信息确定量子密钥。

其中，在本发明一实施例中，

本发明实施例提供了一种水下通信的系统，包括：

至少一个本发明实施例中任一所述水下自由航行器和水面基站；

每个所述水下自由航行器与所述水面基站相连；

所述水面基站，用于通过预先建立的量子通信信道共享量子密钥，接收所述水下自由航行器发来利用所述量子密钥加密后的待传输数据，利用所述量子密钥解密后，获得所述待传输数据。

如图5所示，本发明实施例提供了一种水下通信的系统，包括：

三个本发明实施例中任一水下自由航行器501和水面基站502；

每个所述水下自由航行器501与所述水面基站502相连。

在本发明实施例中，该系统进一步包括：至少一个水下节点；

所述水下自由航行器，进一步包括：保存单元，用于保存每个水下节点的密钥；

所述水下自由航行器中的数据获取单元，包括：

接收子单元，用于接收任一所述水下节点以声波的形式发来的经过加密的密文；

节点密钥确定子单元，用于确定发来所述密文的所述水下节点的密钥；

解密子单元，用于利用发来所述密文的所述水下节点的密钥解密所述密文，获取所述待传输数据；

所述水下节点，用于获取所述待传输数据，对所述待传输数据进行加密生成所述密文，将所述密文以声波的形式发送给所述水下自由航行器。

如图6所示，本发明实施例提供了一种水下通信的系统，包括：

三个本发明实施例中任一水下自由航行器501和水面基站502；

每个所述水下自由航行器501与所述水面基站502相连；

每个水下自由航行器501与三个水下节点601相连。

在本发明实施例中，水下节点可以是水下传感器。水下节点可以采集水中的温度、密度、盐度、酸度等数据，这些数据可以作为待传输数据上传给水下自由航行器。

在本发明实施例中，在水面基站与水下自由航行器之间，采用量子隐形传态实现两者之间共享量子密钥，利用纠缠关联空间非定域性保证水面基站与水下自由航行器之间通信信息安全性。在水下节点到水下自由航行器之间，采用对称加密算法实现两者之间信息的加密传输，利用对称加密快捷的优点提高其通信信息效率。

在本发明实施例中，该系统还可以包括岸上基站等，水面基站可以与岸上基站进行通信。水面基站可以将获得的待传输数据发送给岸上基站。

在本发明实施例中，水下节点可以通过以下几种方式布局：

第一种方式：水下节点部署在确定位置，无法移动。

第二种方式：水下节点锚在海底，可以有限区域的活动。

第三种方式：水下节点能够悬浮在水中不同深度。

第四种方式：水下节点相对静止，水下自由航行器可以在较大区域内活动。

本发明实施例既考虑水下声波通信的要求，具备较好的传感器布放策略,满足水下节点获得最佳感知效果和通信覆盖率的需求，又考虑量子通信的要求，能实施量子隐形传态的通信，水面基站、水下自由航行器能实现对量子态的发送、测量。其中，水面基站可以为可信方。

在本发明实施例中，该系统可以包括至少一个簇，每个簇由簇主节点、簇从节点组成。其中，簇主节点由能量充足、计算能力强的水下自由航行器担当，簇从节点由水下节点担任。每个簇主节点与同一个簇中的簇从节点可以进行交互。另外，每个水下节点至少被1个邻居水下节点所探测到，水下节点之间能通过多跳模式互相声学通信，水下节点之间通信损耗与距离、频率等均有关系。在本发明实施例中，可以随机投放大量的水下节点(包括冗余节点)。具体地，该系统可以包括3个簇，每个簇中包括1个水下自由航行器和7个水下节点。

在本发明实施例中，水下自由航行器还可以用于量子纠缠态的制备，路由的生成、维护、信道分配等等。其中，量子密钥可以是水下自由航行器在下水之前获取的。

在本发明实施例中，水下节点用于数据的采集和上传。水下节点中的密钥可以是水面基站在水下节点下水之前预先放置的分组密码，该分组密码可以是64位的。

在本发明实施例中，水下自由航行器还用于生成水下网络拓扑结构。

具体地，水下自由航行器，利用自身携带的垂直收发器、水平收发器发送加密的广播信息，告知水下节点启动，并准备生成通信网络的拓扑结构。水下节点收到广播信息后，根据事先与水面基站共享的密钥解密，并用密钥加密响应信息，其中包含水下节点的标识，及水下节点之间的相对深度与距离、能量的数值等，将响应信息广播给水下自由航行器。水下自由航行器接受并解密响应信息，构建路由表，该路由表包含周围水下节点的信息。水下自由航行器如果解密响应信息错误，将该响应信息对应的水下节点列入黑名单；水下自由航行器如果解密响应信息成功，则向该水下节点回复应答信息，并携带一个伪随机数。

水下节点接收应答信息和伪随机数后，利用自身的密钥和伪随机数，对其采集到的待传输数据进行分组加密，得到密文。水下节点与水下自由航行器的通信是声信号，水下节点以声波的形式将密文发送给水下自由航行器，水下自由航行器收到密文后，进行逆向解密，解密出待传输数据。

本发明实施例提供了一种可读介质，包括执行指令，当存储控制器的处理器执行所述执行指令时，所述存储控制器执行本发明实施例中任意一种水下通信的方法。

本发明实施例提供了一种存储控制器，包括：处理器、存储器和总线；

所述存储器用于存储执行指令，所述处理器与所述存储器通过所述总线连接，当所述存储控制器运行时，所述处理器执行所述存储器存储的所述执行指令，以使所述存储控制器执行本发明实施例中任意一种水下通信的方法。

上述装置内的各单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。

本发明各个实施例至少具有如下有益效果：

1、在本发明实施例中，通过量子通信信道获取量子密钥，通过量子密钥来加密待传输数据，量子密钥在量子通信信道中传输的过程中，量子密钥通过量子状态来标记，如果该传输过程被窃听，就会扰动量子状态，这样量子通信信道的两端就会发觉被窃听，只需舍弃该量子密钥，即可保证量子密钥的窃取，进而提高了通信的安全性。

2、在本发明实施例中，水下节点通过声波的形式来传输密文，由于声波在水中的衰减较小，且声波在水中的传播速度比较稳定，能够保证信息传递的质量。

3、在本发明实施例中，在水面基站与水下自由航行器之间，采用量子隐形传态实现两者之间共享量子密钥，利用纠缠关联空间非定域性保证水面基站与水下自由航行器之间通信信息安全性。在水下节点到水下自由航行器之间，采用对称加密算法实现两者之间信息的加密传输，利用对称加密快捷的优点提高其通信信息效率。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个〃〃〃〃〃〃”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储在计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质中。

最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。