[發明專利]一種基于PID控制的自適應密鑰生成方法

在審

• 申請號: 202310187834.7
• 申請日: 2023-03-01
• 公開（公告）號: CN116170799A
• 公開（公告）日: 2023-05-26
• 發明（設計）人: 陳發堂;鄭金貴;王丹;王華華;楊黎明;鄭煥平;鄭明杰;陳峰;陳小夢
• 申請（專利權）人: 重慶郵電大學
• 主分類號: H04W12/041
• 分類號: H04W12/041;H04W12/106;H04B17/309
• 代理公司: 重慶輝騰律師事務所 50215
• 代理人: 王詩思

本發明屬于無線安全通信領域，涉及一種基于PID控制的自適應密鑰生成方法；所述方法包括第一終端與第二終端以當前的信道探測頻率相互發送探測信號；分別從探測信號提取出信號強度信息，對信號強度信息進行量化后生成第一密鑰；分別對第一密鑰進行調和與增強后生成第二密鑰；分別計算當前第二密鑰的生成速率和熵率；第一PID控制器將當前獲得的生成速率與目標生成速率比較，第二PID控制器將當前獲得的熵率與目標熵率比較，更新下一輪的信道探測頻率和下一輪是否在探測信號中引入人工噪聲。本發明根據實際密鑰熵率的反饋，自適應引入AR，保證信道探測效率，根據實際生成速率的反饋，自適應調節信道探測速率，獲得穩定KGR。

技術領域

本發明屬于無線安全通信領域，具體涉及一種基于PID控制的自適應密鑰生成方法。

背景技術

在無線安全通信中，Diffie-Hellman密鑰交換協議已經廣泛應用于對稱密鑰加密系統中，它是基于計算復雜度產生的，然而已經證明，量子計算機是可以破解這種基于復雜度的密鑰生成方式。雖然量子計算機還沒有問世，但是采用一種不依賴于計算復雜度的密鑰生成很有必要。此外，Diffie-Hellman協議產生的密鑰是偽隨機序列，并沒有使密鑰真正的隨機化。

隨著無線通信的快速發展，技術人員開始關注無線信道本身的信道特征生成密鑰?；诤戏ㄍㄐ烹p方的位置特征，利用無線衰落信道的互易性和隨機性獲得高相關度的無線共享密鑰，距離合法通信端半個波長外的竊聽者無法獲取相同的密鑰特征值。因此，與Diffie-Hellman密鑰交換協議不同，利用無線信道生成密鑰理論上是安全的，即無論竊聽者有多少算力，即使知道合法通信雙方的所有密鑰生成參數，也很難破解密鑰。

最近的研究中，接收信號強度(received?signal?strength，簡稱RSS)被廣泛用于無線共享密鑰的生成，其原因在于RSS容易被設備測量。生成的共享密鑰，需要通信雙方互相發送探測信號并測量其RSS值，這一流程稱之為信道探測。經過信道探測后，對信道探測值RSS進行比特量化，再對比特量化序列進行調和，減少合法通信雙方不一致的比特。最后，采用密鑰增強的方法，丟棄泄露給竊聽者的信息比特。

目前的密鑰生成方案絕大多數是以恒定的速率探測信道，沒有將信道探測效率和信道變化的快慢考慮在內。一方面，如果信道變化緩慢，即使用戶以較高的速率進行信道探測，得到的將是具有許多連續重復值的RSS序列，這些重復的RSS序列值，不會為最終的密鑰貢獻新的比特信息，導致探測效率低。另一方面，由于信道環境的快速變化，合法通信端KGR是不穩定的，動態信道環境條件下的密鑰生成速率遠高于靜態信道環境下的密鑰生成速率。

發明內容

為了使合法通信端的信道探測效率和KGR保持穩定，本發明提出了一種基于比例積分導數(proportional?integral?derivative，簡稱PID)控制的自適應密鑰生成方案。該方案將實際信道探測效率與目標信道探測效率作比較，自適應引入人工隨機(Artificialrandomness，簡稱AR)，從而保持信道探測效率的穩定；根據反饋的KGR與目標KGR比較，自適應調整信道探測速率，從而保持KGR穩定。仿真結果表明，不論信道環境變化的快與慢，自適應控制器都能將信道探測效率和KGR穩定在相應的目標值附近。

針對以上這些問題，本文結合PID控制器的實際應用特點，提出了一種基于PID控制器的自適應密鑰生成方法。首先，為了保持信道探測效率的穩定性，系統根據實際信道探測效率與目標信道探測效率的差值反饋，自適應引入AR，加快信道波動速度，增強密鑰序列的隨機性，從而保持信道探測效率的穩定。其次，在信道環境快速變化的條件下，合法通信端的KGR不穩定，通信端的實際KGR無法與目標KGR適配，系統會根據通信端實際KGR與目標KGR的差值反饋，自適應調整信道探測速率，從而保持通信端KGR穩定。因為經典的熵率估計是一個漸進極限，不適用于有限的序列，而LZ76(Lempel-Ziv)是一個無偏的統計估計器，收斂速度足夠快，能準確的估計有限序列的熵率，所以本發明將LZ76估計器計算得出的密鑰序列熵率作為信道探測效率的指標。