CN111953478A - 一种量子加密手环、手环通信系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种手环、手环通信系统及方法，其中利用数据采集模块采集手环佩戴者的相关信息，在数据加密模块中利用量子密钥对相关信息进行加密，无线通信模块以短距离数据传输的方式将加密信息传输给中继终端，再由中继终端直接将加密信息远距离传输给后台终端。由此，借助量子密钥及中继终端的特殊设置可以安全地实现手环数据的远距离传输，同时能够有效降低手环的功耗，提高手环性能。

Description

一种量子加密手环、手环通信系统及方法
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及量子通信应用中的量子加密手环、手环通信系统及方法。
背景技术
近年来社会上健康运动的风潮渐起，对运动数据和生理指标的采集、记录、存储和显示等需求相应产生，由此催生了各种类型和功能的手环。例如，201711006673.8号中国专利申请中提出了一种手环的数据安全处理系统，该系统包括数据采集单元、存储单元、加密单元、上传单元、认证单元、防护单元、报警单元、处理单元、更换单元及破坏单元等，以上模块用于数据的采集、存储、加密(存储、传输阶段)、加密方法更新、数据自动删除等操作。其中描述的处理系统包含了数据从采集到上传的整个过程，并在存储及传输过程中对数据进行了加密处理。201720428883.5号中国专利申请中提出了一种警务人身监控手环，其对手环佩戴者的心率、地理位置进行测量和定位，并在手环腕带部位内置了保护线路以防止暴力拆解，同时手环内部包含了具备ZigBee或蓝牙功能的通信模块。201320666274.5号中国专利申请中提出了一种手环，该手环包含控制模块、移动通信模块，并且内部可植入SIM卡，控制模块用于连接SIM卡并获取SIM卡信息，移动通信模块连接控制模块，从而获取SIM卡的信息并接入移动通信网络，进而实现与移动通信通络进行信息交互。
上述现有技术从不同角度描述了各类型手环的功能和结构，可实现定位、计步、屏幕显示等常规功能需求，并可利用蓝牙或ZigBee等短距离无线通信技术实现数据的短距离传输，或利用SIM卡获取手环的数据连接至移动通信网络，实现信息的交互。
发明内容
但是一些特殊需求的场景(如暂予监外执行、服刑人员狱外探亲、社区矫正)对手环佩戴者的身份认证信息、生理指标等数据具有极高的私密性和安全性需求，其要求保证手环数据在传输过程中的安全性和完整性，并能够在后台终端对数据进行解密，使得工作人员能够对手环数据进行查阅、调用和操作。
现有技术中的手环尚不能有效满足该特殊场景下对手环的个性化需求。例如，201711006673.8号中国专利申请中仅强调了加密单元具备对数据进行加密的功能，未对各模块间的工作逻辑进行描述，也未对数据进行如何解密进行描述，因此，其并不能教导如何实现手环实际应用中的数据加密和解密功能。又例如在201720428883.5号中国专利申请中，其中提到用蓝牙或ZigBee技术进行无线通信，但蓝牙和ZigBee技术不能实现数据的远距离传输，在手环数据的远距离安全传输方面存在问题。201320666274.5号中国专利申请中提到通过内置SIM卡调用手环数据，从而连接至移动通信网络并进行信息的交换，但是这涉及到对手环数据的直接明文获取。此外，883和274号专利申请也未涉及数据传输过程的数据加密处理，使得数据在传输过程中存在被截取的危险性。另外，鉴于暂予监外执行、服刑人员狱外探亲、社区矫正等场景的特殊性，需要对手环佩戴者的身份认证、生理指标等数据进行较为频繁的采集，且需要将数据传输至后台终端。频繁的数据采集和远程传输，这又会对手环的电池续航能力提出较大的需求。274号申请提到的使用SIM卡实现和通信网的交互对手环的续航能力提出了更高的要求，频繁对手环进行充放电会影响使用效率和缩短手环的生命周期，也会增加使用的复杂度。
针对这些问题，本发明提出了一种量子加密手环、手环通信系统及方法。
本发明的第一方面涉及一种量子加密手环，其包括数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块、数据加密模块及无线通信模块。其中，所述数据采集模块用于采集有关手环佩戴者的数据；所述数据处理模块用于接收所述数据采集模块提供的数据，并对其进行处理；所述数据存储模块用于接收并存储所述数据处理模块提供的数据；所述数据加密模块被设置成经量子密钥中心获取量子密钥，接收所述数据存储模块提供的数据并利用所述量子密钥对其进行加密；并且，所述无线通信模块接收所述数据加密模块提供的经加密的数据，并借助短距离数据传输将所述经加密的数据传输给中继终端。
进一步地，所述数据采集模块包括定位单元、身份信息采集单元和生理指标采集单元中的至少一种。
进一步地，所述数据加密模块中还预置有原始密钥，用于对以加密的方式分配的所述量子密钥进行解密。
进一步地，所述数据加密模块还被设置成在接收到所述数据存储模块提供的数据时向所述量子密钥中心提出量子密钥分配申请。
进一步地，所述数据存储模块还被设置成对由所述数据处理模块提供的所述数据进行预加密；所述数据加密模块还被设置成对由所述数据存储模块提供的经预加密的所述数据进行解密。
本发明的第二方面涉及一种量子加密手环通信系统，其包括本发明的上述量子加密手环、量子密钥中心、中继终端和后台终端。其中，所述量子密钥中心被设置成向所述手环和所述后台终端分配所述量子密钥；所述中继终端被设置用于通过远距离数据传输将所述经加密的数据传输给所述后台终端；并且，所述后台终端被设置用于利用所述量子密钥对所述经加密的数据进行解密。
进一步地，所述量子密钥以加密的方式进行分配；并且/或者，所述中继终端被设置成仅对所述经加密的数据进行转发操作。
优选地，所述短距离数据传输基于蓝牙或者ZigBee实现。
本发明的第三方面涉及一种量子加密手环通信方法，其包括以下步骤：向量子加密手环和后台终端分配量子密钥；所述量子加密手环利用所述量子密钥对数据进行加密，并且通过短距离数据传输将所述经加密的数据传输给中继终端；所述中继终端通过远距离数据传输将所述经加密的数据传输给所述后台终端；并且，所述后台终端利用所述量子密钥对所述经加密的数据进行解密。
优选地，本发明的方法利用上述量子加密手环通信系统来实现。
附图说明
图1示出了本发明的量子加密手环的结构原理图；
图2示出了用于本发明的手环的数据加密模块的量子密钥分配的优选实施方式；以及
图3示出了本发明的手环通信系统及方法的工作原理图。
具体实施方式
在下文中，本发明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，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。
如图1所示，本发明的量子加密手环可以包括数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块、数据加密模块及无线通信模块。
数据采集模块用于采集手环佩戴者的相关数据，其包括但不限于位置信息、运动(例如步数等)信息、身份信息、生理信息。作为示例，数据采集模块可以包括定位单元、身份信息采集单元和生理指标采集单元中的至少一个。
定位单元可以对佩戴者进行地理位置的定位，这种定位可以但不限于是基于GPS、北斗、LBS或者WIFI等实现的。
身份信息采集单元可以对佩戴者的身份特征进行采集，其可以但不限于采用指纹录入、采集虹膜或人脸特征来实现。
生理指标采集单元可以采集佩戴者的生理指标，其包括但不限于皮电、血氧等生理指标。
数据处理模块接收数据采集模块提供的数据(例如地理位置、指纹、虹膜、人脸特征、生理指标等)，并对其进行数据处理。
数据存储模块接收并存储数据处理模块提供的数据。
数据加密模块经量子密钥中心获取量子密钥，并利用量子密钥对数据存储模块提供的数据进行加密。
如图2所示，作为优选示例，数据加密模块还可以包括预置的原始密钥，该原始密钥同时也存在于量子密钥中心中。量子密钥中心在向数据加密模块分配量子密钥时会利用原始密钥对待分配的量子密钥(即会话密钥)进行加密，以便以加密的方式将量子密钥分配至数据加密模块。数据加密模块在接收到经加密的量子密钥时，利用预置于其中的原始密钥进行解密，从而获得量子密钥，完成量子密钥的分配过程。
作为优选示例，量子密钥的分配可以是由数据加密模块接收到来自数据存储模块的数据时向量子密钥中心提出申请的，以实现量子密钥的实时分配，从而最大限度地保证量子密钥的新鲜度，增强保密性。
无线通信模块接收数据加密模块提供的加密数据，并借助短距离数据传输将接收的加密数据传输给附近的中继终端。
在本发明中，短距离数据传输可以但不限于是基于蓝牙或者ZigBee实现的。中继终端可以是任何可实现数据短距离和/或远距离传输的终端设备，其包括但不限于是利用基站或WIFI进行远距离数据传输的终端设备。作为示例，中继终端可以是智能手机或者PDA。
中继终端在接收到加密数据后，不对其作任何操作，仅进行转发处理，避免对数据进行二次封装，保证手环数据的安全性，同时减少对中继终端的负担。
借助中继终端，加密数据例如通过公网传输至后台终端，后台终端与数据加密模块以相同的方式通过量子密钥中心获得量子密钥，并利用该量子密钥对接收到的加密数据进行解密，从而将手环数据恢复为明文。
在本发明中，数据存储模块还可以包括预加密单元，其利用预置的密钥(其可以是经典密钥)对接收的数据进行预加密。相应地，数据加密模块还可以包括解密单元，其被设置成利用相同的预置密钥对由数据存储模块提供的经预加密的数据进行解密。
此外，本发明的手环还可以包括屏幕显示模块，用于显示例如时间、天气、温度、湿度等信息。
本发明的手环的数据采用了量子密钥进行加密，其能够借助量子密钥在生成过程(即QKD过程)中不可窃听、不可复制的高安全特性实现数据的安全传输；同时，借助无线通信模块所提供的数据中继传输方式，能够有效降低手环的功耗，同时实现数据的远距离传输，并结合量子通信技术可以实现数据在后台终端的解密。
下面将结合附图3对本发明的手环通信系统及方法的示例性实施例进行说明，以进一步理解本发明的原理。
如图所示，手环通信系统除了上述手环之外，还包括量子密钥中心、中继终端及后台终端。
量子密钥中心根据手环提出的密钥分配申请，同时向手环和后台终端分配量子密钥。优选地，量子密钥中心以加密的方式分配量子密钥，其中，量子密钥中心与手环之间以及量子密钥中心与后台终端之间分别预置有相同的原始密钥，用于对量子密钥进行加密。
中继终端用于以短距离数据传输的方式接收手环的加密数据，并且可以例如经由公网将接收到的加密数据远距离传输给后台终端。本领域技术人员容易理解，中继终端的数量可以不限于一个。
后台终端从中继终端处接收来自手环的加密数据，并且利用量子密钥对加密数据进行解密，从而获得明文。
“中继”对加密后的数据仅进行转发处理，不进行任何的操作，有效保证数据的安全性。
与利用SIM卡直接与外界公网进行数据交互的方案相比，在本发明中，手环将加密后的密文转发至“中继”，“中继”利用基站或WIFI等公网进行通信，可以显著降低手环的功耗，增加手环的续航工作时长，尤其是在需要对手环数据进行较为频繁的远距离传输时优越性更为明显。
本发明的方案利用手机等智能设备作为“中继”，同时采用量子保密通信技术，可以实现数据的安全、远距离传输，同时有效降低手环的功耗，增加手环的续航工作时长，极大改善手环的性能。
上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，且在不发生矛盾的情况下，上述各种替换方式可以相互组合使用。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种量子加密手环，其包括数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块、数据加密模块及无线通信模块，其中：
所述数据采集模块用于采集有关手环佩戴者的数据；
所述数据处理模块用于接收所述数据采集模块提供的数据，并对其进行处理；
所述数据存储模块用于接收并存储所述数据处理模块提供的数据；
所述数据加密模块被设置成经量子密钥中心获取量子密钥，接收所述数据存储模块提供的数据并利用所述量子密钥对其进行加密；并且，
所述无线通信模块接收所述数据加密模块提供的经加密的数据，并借助短距离数据传输将所述经加密的数据传输给中继终端。
2.如权利要求1所述的量子加密手环，其中，所述数据采集模块包括定位单元、身份信息采集单元和生理指标采集单元中的至少一种。
3.如权利要求1所述的量子加密手环，其中，所述数据加密模块中还预置有原始密钥，用于对以加密的方式分配的所述量子密钥进行解密。
4.如权利要求1所述的量子加密手环，其中，所述数据加密模块还被设置成在接收到所述数据存储模块提供的数据时向所述量子密钥中心提出量子密钥分配申请。
5.如权利要求1所述的量子加密手环，其中，所述数据存储模块还被设置成对由所述数据处理模块提供的所述数据进行预加密；所述数据加密模块还被设置成对由所述数据存储模块提供的经预加密的所述数据进行解密。
6.一种量子加密手环通信系统，其包括如权利要求1-5中任一项所述的量子加密手环、量子密钥中心、中继终端和后台终端，其中，
所述量子密钥中心被设置成向所述手环和所述后台终端分配所述量子密钥；
所述中继终端被设置用于通过远距离数据传输将所述经加密的数据传输给所述后台终端；并且，
所述后台终端被设置用于利用所述量子密钥对所述经加密的数据进行解密。
7.如权利要求6所述的量子加密手环通信系统，其中，所述量子密钥以加密的方式进行分配；并且/或者，所述中继终端被设置成仅对所述经加密的数据进行转发操作。
8.如权利要求6所述的量子加密手环通信系统，其中，所述短距离数据传输基于蓝牙或者ZigBee实现。
9.一种量子加密手环通信方法，其包括以下步骤：
向量子加密手环和后台终端分配量子密钥；
所述量子加密手环利用所述量子密钥对数据进行加密，并且通过短距离数据传输将所述经加密的数据传输给中继终端；
所述中继终端通过远距离数据传输将所述经加密的数据传输给所述后台终端；并且，
所述后台终端利用所述量子密钥对所述经加密的数据进行解密。
10.如权利要求9所述的量子加密手环通信方法，其利用如权利要求6-8中任一项所述的量子加密手环通信系统来实现。
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