[發明專利]一種基于神經網絡的高一致性物理密鑰生成方法

有效

• 申請號: 201810052683.3
• 申請日: 2018-01-19
• 公開（公告）號: CN108365951B
• 公開（公告）日: 2023-05-30
• 發明（設計）人: 管新榮;蔡躍明;楊煒偉;楊文東;吳丹;石會;王易達;丁寧
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍陸軍工程大學
• 主分類號: H04L9/08
• 分類號: H04L9/08;G06N3/08
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 許峰;程化銘

本發明公開了一種基于神經網絡的高一致性物理密鑰生成方法，該生成方法包括以下步驟：步驟10)：在一無線物理密鑰生成模型中，設有一個源節點S、一個目的節點D和一個竊聽節點E，所有節點采用TDD方式工作；設在時刻t，源節點S和目的節點D之間的信道系數記為hsubgt;SD/subgt;(t)，源節點S和竊聽節點E之間的信道系數記為hsubgt;SE/subgt;(t)，目的節點D和竊聽節點E之間的信道系數記為hsubgt;DE/subgt;(t)；步驟20)：獲取訓練樣本；步驟30)：建立神經網絡模型；步驟40)：訓練參數；步驟50)：生成密鑰；步驟60)：進行一致性檢驗。該方法利用源節點、目的節點探測結果的時間相關性，通過對樣本進行訓練得到能夠進行有效預測的神經網絡參數，再利用訓練好的神經網絡進行物理密鑰生成，提高一致性。

技術領域

本發明屬于通信領域，具體來說，涉及一種基于神經網絡的高一致性物理密鑰生成方法。

背景技術

尋求一種新的安全技術以彌補現有無線加密機制的不足，實現更高的安全性保證是一個極具研究價值的課題。物理層安全為這一問題的解決開辟了新的路徑，其原理是從信息論出發，利用無線信道的物理特性而不是增加計算復雜度來解決通信保密性問題。具體而言，根據對無線信道特性利用方式的不同，物理層安全解決方案可分為以下兩大類。第一類，即利用信道差異性構建Wire-tap信道直接進行保密信息的安全傳輸。基于Wyner提出的Wire-tap竊聽信道模型，只要主信道(源節點和目的節點間信道)優于竊聽信道(源節點和竊聽節點間信道)，源節點和目的節點就可以實現Shannon信息論意義上的絕對安全(亦稱為“無條件安全”)。這類方案通常要求源節點同時具備主信道和竊聽信道的信道狀態信息以便進行安全傳輸所需的Wyner安全編碼，因此在實際場景中其應用受到較大限制。第二類，就是基于無線信道隨機動態特性的物理密鑰生成方案。

從物理特征上看，無線衰落信道呈現出隨機動態且唯一的特性。無線信道的唯一性保證了主信道和竊聽信道之間必然存在差異，而其隨機動態變化特性又使得這一差異能夠實時更新。這為利用無線信道物理特性實時生成動態密鑰提供了可能。特別是在TDD(Time?Division?Duplexing，時分雙工)系統中，源節點到目的節點的信道與目的節點到源節點的信道之間具有短時互易特性。這意味著合法通信雙方能夠共享不為竊聽節點所知的信道信息(例如信道沖激響應的幅度和相位信息等)。在通信過程中，合法通信雙方通過各自獨立對主信道進行估計，就能提取出主信道的特征信息，并生成竊聽節點無法獲知的一致密鑰。此密鑰為源節點和目的節點所共享且隨主信道動態變化，可實現“一次一密”的安全通信。相較于傳統密鑰體制，基于無線信道物理特性生成的物理密鑰具有以下優點：1)在線生成分發。合法通信雙方各自獨立從信道提取物理密鑰，無需另外的密鑰分發中心或用戶認證中心，避免了傳統密鑰無線分發過程中的安全性問題。2)實時動態更新。無線信道的隨機動態時變特性保證了物理密鑰的實時動態更新。這有利于實現“一次一密”，大大提高了無線安全性。例如，在破解KASUMI過程中，先要發送數百萬條明文經運營商網絡加密，然后截取密文與明文進行比對分析加以破解。如果采用“一次一密”的物理密鑰，這種比對分析將是無效的。

大致上，物理密鑰的生成過程可分為三個階段：1)通信雙方信道探測；2)信道特征提取量化；3)密鑰一致性校驗。無線信道最基本的特征之一就是信道沖激響應，其幅度、相位的隨機變化為在線產生密鑰提供了來源。然而，由于源節點、目的節點均工作于TDD模式，不能同時進行無線收發，二者的信道探測存在時延。時延導致了目的節點的探測結果和源節點的探測結果之間存在誤差。

發明內容

技術問題：本發明所要解決的技術問題是：提出一種基于神經網絡的高一致性物理密鑰生成方法，利用源節點、目的節點探測結果的時間相關性，通過對樣本進行訓練得到能夠進行有效預測的神經網絡參數，再利用訓練好的神經網絡進行物理密鑰生成，提高一致性。

技術方案：為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：

一種基于神經網絡的高一致性物理密鑰生成方法，該生成方法包括以下步驟：