[發明專利]基于信道特征的物理層密鑰生成方法及系統

有效

• 申請號: 202011051698.1
• 申請日: 2020-09-29
• 公開（公告）號: CN112202511B
• 公開（公告）日: 2023-09-22
• 發明（設計）人: 楊奎武;龔迪菲;胡學先;趙儉;陳越;張儉鴿;南煜;隋雷;張田
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍戰略支援部隊信息工程大學
• 主分類號: H04W12/04
• 分類號: H04W12/04;H04B17/318;H04W84/18
• 代理公司: 鄭州大通專利商標代理有限公司 41111
• 代理人: 周艷巧

本發明屬于安全通信技術領域，特別涉及一種基于信道特征的物理層密鑰生成方法及系統，包含：通信雙方依據事先約定采樣策略，將多信道網絡中各子信道信號強度作為信道特征參數，對該信道特征參數進行評估和提??；對提取到的信道特征參數通過信道量化方式進行量化；通信雙方分別針對量化數據進行信息調和，獲取各自初始密鑰，雙方并經過密鑰協商進行密鑰增強，得到最終會話密鑰。本發明通信雙方根據采樣策略對多個子信道的RSS進行采樣，經過去均值濾波、量化編碼等處理后最終形成密鑰，不但能夠有效降低采樣數據的相關性，克服信道相干時間限制，提高密鑰生成效率，同時方法、簡單，計算開銷少，能夠有效在物聯網設備上實現，具有較好的應用前景。

技術領域

本發明屬于安全通信技術領域，特別涉及一種基于信道特征的物理層密鑰生成方法及系統。

背景技術

當前，無線網絡已廣泛應用于軍民各領域，但由于無線信道的開放性，使得無線網絡面臨著竊聽攻擊等安全風險。傳統的安全手段是在網絡層通過對稱或非對稱密碼體制對數據進行加密，但這種安全手段面對移動網絡環境或資源受限的物聯網設備時，卻面臨諸多難題。對稱加密方法需要復雜的密鑰管理機制，很難滿足移動網絡的安全需要，而非對稱密碼算法對設備運算能力要求又高，物聯網設備難以負擔。

基于無線信道特征的物理層密鑰生成方法有效解決了上述難題。該方法借助信道的短時互易性、時變性、快速空變性及隨機性，以無線信道的傳輸特征為基礎，通過采集通信信號強度、多徑時延或相位等信道特征參數作為密鑰的隨機生成源，從而可為通信雙方提供密碼安全服務，在5G、物聯網等安全研究中尤其重要。自從Hershey等提出可在時分雙工的通信系統中提取物理層密鑰后，針對不同信道特征，很多實際的密鑰生成方案被相繼提出，這些方法選取的信道特征參數主要包括：信道狀態信息(Channel?StateInformation,CSI)、相位、信號強度(RSS)等。CSI被認為是最合適的信道參數，能夠提供較高的KGR，但由于其受頻偏、干擾影響較大獲取較難，設備軟硬件要求也較高；相位的優點是密鑰生成速率較快，但是對噪聲敏感，一致性較低。

發明內容

為此，本發明提供一種基于信道特征的物理層密鑰生成方法及系統，能夠在無線設備的計算資源需求和密鑰生成速率之間取得較好的平衡，方法簡單、高效，易于在物聯網設備上實現。

按照本發明所提供的設計方案，一種基于信道特征的物理層密鑰生成方法，包含如下內容：

通信雙方依據事先約定采樣策略，將多信道網絡中各子信道信號強度作為信道特征參數，對該信道特征參數進行評估和提??；

對提取到的信道特征參數通過信道量化方式進行量化；

通信雙方分別針對量化數據進行信息調和，獲取各自初始密鑰，雙方并經過密鑰協商進行密鑰增強，得到最終會話密鑰。

作為本發明基于信道特征的物理層密鑰生成方法，進一步地，通信發起者依據采樣策略周期性地向通信接收者發送探測請求幀，通信接收者根據探測請求幀編號記錄請求幀信號強度并回復通信發起者應答幀；通信發起者按照應答幀編號記錄應答幀信號強度。

作為本發明基于信道特征的物理層密鑰生成方法，進一步地，事先約定采樣策略中，通信雙方按照信道選擇策略選擇子信道，各子信道特征采樣遵守探測重傳協議。

作為本發明基于信道特征的物理層密鑰生成方法，進一步地，選擇子信道過程中，首先，依據通信發起者和通信接收者節點編號和子信道數量及最小子信道編號，確定初始采樣子信道；然后，依據當前采樣子信道、每次采樣信道跳轉步長、最小子信道編號及子信道數量，確定下次采樣子信道。

作為本發明基于信道特征的物理層密鑰生成方法，進一步地，通信雙方多輪探測過程中，將各子信道信號強度緩存為矩陣RSS，其中，RSS_ij代表第i輪探測時第j個采樣子信道所得到的信號強度采樣值。