CN104717074A - 一种融合私有信息的共享密钥安全通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种融合私有信息的共享密钥安全通信方法，将通信双方的设备指纹信息和私有密钥作为一种隐含的私有信息，通过公共的信道特征对这些私有信息进行保护并传递至对方，再在接收端通过将已知的私有信息叠加在接收信号的方式，完成信道互易性的重建。通过本发明方法，可以增加通信双方生成共享密钥的一致性以及生成密钥的随机性，解决了在有设备指纹特征情况下信道特征互易性的问题以及在信道变化缓慢情况下生成密钥随机性不足的问题。该发明可以被用于无线通信系统，也可以被用于有线通信系统以及光纤通信系统。

Description

一种融合私有信息的共享密钥安全通信方法

技术领域

本发明涉及一种在时分双工(TDD，Time Division Duplex)情况下的融合私有信息的共享密钥安全通信方法，属于通信安全技术。

背景技术

随着通信技术的发展，高速通信系统得到了广泛的应用。无论是在传统的有线通信领域，高速发展的无线通信领域以及光纤通信领域，其安全性也日益引起关注。传统的加密方法是基于上层的通信协议进行。通信双方依靠约定的密钥进行保密通信。然而，随着信息对抗技术的发展和深入，密钥本身的安全性将越来越难以得到保障。因此传统的信息安全技术将会在未来受到越来越严重的威胁。

为了解决安全通信所面临的挑战，国内外学者不断地寻找着能够保障通信安全的新式安全传输体制，其中包括了在光纤通信中兴起的量子通信技术，在无线通信里的物理层安全相关技术等。此外，值得注意的是，无论有线通信、无线通信还是光纤通信，通信链路中的硬件和信号传输过程中的物理特性有唯一的特征，该特征可以被用于提取唯一的通信密钥，从而能够成为一种新型的安全传输体制。

近些年来，利用无线信道的互易性进行共享密钥的安全通信的研究已经成为研究热点。然而，受到通信设备指纹信息的影响，通信双方实际得到的包含信道信息和设备指纹信息的信道响应将无法完全的一致性。有研究针对这种信道互易性的差异进行密钥协商来保证通信双方密钥的一致性。中国专利CN 103825725A中提出了通过交互甲乙双方的RSS信息，采取不一致性去除、矢量量化和模糊提取步骤进行操作提高密钥一致性的方法。美国专利US8401196B2在TDD模式下采取将接收信号回传的方式以消除设备指纹对信道响应互易性的影响。但是这些方法寻需要回传接收到的信号，存在着被窃听者窃取的可能性。此外，在无线通信中的TDD-MIMO系统中，中国专利CN201110114594.5和CN201010180433.1提出了通过预编码处理补偿信道互易性的方法。这些方法是针对高速无线通信系统进行的设计，但是在基于信道特征的安全通信中，这些通过预编码补偿信道互易性的方法将有可能减少信道的特征，从而降低生成密钥比特的随机性。

此外，现有的基于信道特征的共享密钥安全通信研究大多基于无线信道，针对有线信道和光纤信道的共享密钥安全通信研究还并不多见。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种通信双方加入私有信息并融合共享的信道信息，生成更具有随机性的共享密钥以及提高设备之间生成密钥一致性的方法；本发明可以被用于无线通信系统，也可以被用于有线通信系统及光纤通信系统。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种融合私有信息的共享密钥安全通信方法，通信双方将各自的私有信息以及信道互易信息融合成发射信号后发送给对方，接收方接收到含有对方私有信息和信道互易信息的信号后，将自己的私有信息叠加在接收信号中，最终形成联合信息，通信双方基于该联合信息得到安全通信用的共享密钥。

具体来说，通信双方各自的私有信息为通信双方各自发射机的设备指纹信息和/或通信双方各自生成的私有密钥信息，即私有信息为发射机的设备指纹信息，或者私有信息为私有密钥信息，或者私有信息为发射机的设备指纹信息和私有密钥信息的融合。

具体来说，所述发射机的设备指纹信息是由发射机的电路、滤波器和放电器产生的具有一定频响特征的信息。

具体来说，所述发射机的设备指纹信息通过预先的测量或者校准得到，或者通过使用接收回路或者反馈电路得到。

具体来说，将私有信息融合到信道互易信息/叠加到接收信号中的方法为：将私有信息进行分组，分组的数量与信道互易信息/接收信号在频域的子载波数量相同，分组后的私有信息与子载波一一对应；将每个子载波对应的私有信息进行比特信息量化，基于量化的比特信息得到量化系数，将每个子载波的幅度和/或相位乘以对应的量化系数，完成私有信息与信道互易信息的融合/与接收信号的叠加。

优选的，在通信双方每一次通信时各自产生一个新的私有密钥信息。

有益效果：本发明提供的融合私有信息的共享密钥安全通信方法，通过融合通信双方共享的信道信息以及各自的私有信息，增加通信双方生成共享密钥的一致性以及生成密钥的随机性。通信双方以生成私有密钥的方式将发射的信号通过预处理，并在接收端将各自的私有密钥信息以及各自的设备指纹信息叠加在接收信号。通过融合私有信息和共享信道信息生成共享密钥，不仅可以改善信道的互易性以提高密钥的生成速率和一致性，还可以在信道特征变化缓慢的场景下显著提高密钥生成的随机性，从而增强系统的安全性。

现有的在无线通信系统中改善信道互易性的方法主要是采取两种技术：一种是需要接收端回传信息给发送端，采用反馈的方式进行信道互易性的补偿；还有一种是通过在发射端对信道信息进行预编码处理，补偿信道互易性。与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、采取反馈的技术将不可避免的有将密钥信息泄露给窃听者的风险。窃听者通过窃听通信双方第一次通信和反馈通信的信息，将可以解出合法通信者反馈的信息，从而基于解出的反馈信息，得到通信的密钥。而本发明将设备的指纹信息以先验信息的方式获得后，采取单次通信的方式，不需要反馈接收的信息，从而可以保障信道和设备指纹信息的安全。窃听者通过窃听合法通信双方单次通信的信息，将不可能反推出密钥信息。因此本发明在改善了信道互易性时又没有降低系统的安全性，提高了系统抵御攻击的能力。

2、通过在发射端对信道信息进行预编码处理的技术，需要将得到的信道信息进行预编码，从而将少通信双方信道互易性的差异。在发射端针对信道信息进行预编码可以增强无线通信系统的互易性，并减少接收端的复杂度。但是，采用预编码将有可能减少信道的特征，从而降低生成密钥比特的随机性。本技术将设备指纹的先验信息通过在接收端叠加在接收信号的方式，可以综合利用信道信息和通信双方的设备指纹信息得到共享密钥，从而可以提高密钥的生成速率，增加密钥生成的一致性。

3、在基于信道特征的共享密钥安全通信技术中，一般认为该技术比较适合于信道特征变化较快的无线信道。而由于有线信道和光纤信道的特征变化较为缓慢，基于信道特征的共享密钥安全通信技术用于有线信道和光纤信道的研究还尚未见报道。本发明所提出的方法，将不仅可以被用于信道特征变化较快的无线信道，也可以被用于信道特征变化较慢的有线信道和光纤通信信道。通过融合私有信息生成安全通信用的密钥，将可以显著提高密钥生成的随机性，使得在有线通信中也可以做到“一次一密”的保密通信。

附图说明

图1是本发明方法整体的通信系统模型；

图2是本发明方法整体系统实现流程图；

图3是本发明方法完整的系统实现流程图在通信系统模型上的表述；

图4是本发明方法省去发射端信号预处理环节的系统实现流程图在通信系统模型上表述；

图5是本发明方法省去设备指纹特征获取环节的系统实现流程图在通信系统模型上表述；

图6是本发明方法中涉及的发射端信号预处理环节中信号处理的示意图；

图7是本发明方法中涉及的接收端融入私有信息环节中信号处理的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

融合私有信息的共享密钥安全通信方法，在TDD通信系统中，将通信双方的设备指纹信息和生成的私有密钥作为一种隐含的私有信息，通过公共的信道特征对这些私有信息进行保护并传递至对方，再在接收端通过将已知的私有信息叠加在接收信号的方式，完成信道互易性的重建，从而实现了融合信道特征和私有信息的共享密钥安全通信。该方法包含了四个环节：设备指纹特征获取环节，发射端信号预处理环节，发送信号及接收信号环节以及接收端融入私有信息环节。其中在实施过程中，可以完整实施设备指纹特征获取环节和发射端信号预处理环节，也可以单独实施其中的一个环节。具体实施步骤如下：

设备指纹特征获取环节

发射机的设备指纹信息是由发射机的电路、滤波器和放电器产生的具有一定频响特征的信息；发射机的设备指纹信息通过预先的测量或者校准得到，或者通过使用接收回路或者反馈电路得到。通信双方在获得发射机的设备指纹信息后存储在各自的设备中。

发射端信号预处理环节

通信双方各自生成一个私有密钥信息，该私有密钥信息可以在通信双方每一次通信时都随机生成一组。通信双方基于生成的私有密钥信息对发射的信号进行预处理；预处理的方式为：将私有密钥信息进行分组，分组的数量与信道互易信息在频域的子载波数量相同，分组后的私有密钥信息与子载波一一对应；将每个子载波对应的私有密钥信息进行私有密钥比特信息量化，基于量化的私有密钥比特信息得到私有密钥量化系数，将每个子载波的幅度和/或相位乘以对应的私有密钥量化系数，完成发射端信号的预处理。

发送信号及接收信号环节

完成了发射端信号的预处理，通信双方在两个不同的时刻，将信号发送给对方并接收信号。通信双方接收到对方的信号后，就可以进入下一个环节。

接收端融入私有信息环节

基于通信双方在设备指纹特征获取环节获得的各自设备指纹的先验信息，可以在频域计算出该设备指纹信息在每一个子载波上的系数，并将相应的系数分别在每一个子载波上乘以接收信号的信道响应值。

基于通信双方在发射端信号预处理环节生成的私有密钥，可以利用该私有密钥对接收到的信号进行处理。处理的方式为：在该环节的频域基于通信双方各自的私有密钥比特信息生成每个子载波的幅度和相位的系数，并将相应的系数分别在每一个子载波上乘以接收信号的信道响应值。

通过在接收端融入私有信息环节的处理，通信双方得到了具有共享信道信息和各自私有信息的信道响应值。基于通信双方的信道响应值，可以生成共享的密钥比特，以用于安全通信。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合具体实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明：

图1是本发明的整体通信系统模型。包括了合法用户Alice和Bob。在系统模型中，还包含了窃听者Eve。合法用户Alice拥有私有密钥P，合法用户Bob拥有私有密钥Q。私有密钥P和Q只有密钥持有者知道，对方并不知道。Alice的发射机有一个固定的设备指纹，在模型中被定义为一个滤波器G_A。Bob的发射机也有一个固定的设备指纹，在模型中被定义为一个滤波器G_B。Alice和Bob可以在通信前通过互易误差校准，分别获得各自的设备指纹特征G_A和G_B，各自获得的设备指纹特征被存储在各自的设备中，对方并不知道其特征。Alice和Bob之间有一个通信链路。其中Alice至Bob的信道响应为H_AB，Bob至Alice的信道响应为H_BA。Eve可以通过通信链路窃听Alice和Bob发出的信号。其中Alice至Eve的信道响应为H_AE，Bob至Eve的信道响应为H_BE。

图2是本发明方法完整的系统实现流程图。实施的过程包括了设备指纹特征获取环节，发射端信号预处理环节，发送信号及接收信号环节以及接收端融入私有信息环节以及具体的7个步骤。下面将结合图2进行具体实施方式描述：

步骤1：通信双方获得设备指纹信息G_A和G_B。所获得的设备指纹信息是由发送设备的电路、滤波器及放大器产生的具有一定频响特征的信息。设备指纹特征可以通过通信双方互易误差校准获得。通信双方获得的各自设备指纹特征信息存储在各自的通信设备中。

步骤2：通信双方生成私有密钥，该私有密钥可以在每一次通信时都随机生成一组。其中Alice的私有密钥为P，Bob的私有密钥为Q。

步骤3：通信双方基于生成的私有密钥，对发射的信号进行预处理。其中预处理的方式为：将生成的密钥进行分组，分组的数量为所发射信号在频域的子载波数。将每一个子载波对应的密钥比特进行量化。基于量化密钥比特信息得到的系数，对要发射信号里的每一个子载波的幅度和相位乘以相应的系数。为了方便系统的描述，在这里将P和Q直接定义为由Alice和Bob针对发射信号频域子载波的幅度和相位的调制系数。

步骤4：通信双方将预处理后的信号发送给对方。

步骤5：Alice和Bob接收到对方传来的信号。其中Alice接收到的信号经过了信道响应H_BA，Bob接收到的信号经过了信道响应H_AB。在TDD系统中，可以假设Alice和Bob之间的信道响应具有互易性，即H_AB＝H_BA。

步骤6：Alice和Bob可以基于各自获得的设备指纹先验信息，在频域计算出该设备指纹信息在每一个子载波上的系数G_A和G_B。Alice和Bob还可以基于各自的私有密钥信息，得到私有密钥在每一个子载波上的系数P和Q。Alice将接收到的信号在频域分别乘以Alice的设备指纹信息G_A和P。Bob将接收到的信号在频域分别乘以Bob的设备指纹信息G_B和Q。

步骤7：Alice基于由Bob传来的G_B和Q，信道响应H_BA以及Alice的私有信息G_A和P生成安全通信用的密钥。Bob基于由Alice传来的G_A和P，信道响应H_AB以及Bob的私有信息G_B和Q生成安全通信用的密钥。

其中，步骤1属于设备指纹特征获取环节，步骤2、3属于发射端信号预处理环节，步骤4、5属于发送信号及接收信号环节，步骤6、7属于接收端融入私有信息环节。其中，发射端信号预处理环节中信号处理的示意图如图6所示。接收端融入私有信息环节中信号处理的示意图如图7所示。

此外，本发明方法既可以以完整的步骤实施，也可以以省去一些步骤的方式实施。下面将结合通信系统模型分别进行描述：

图3是本发明方法完整的系统实现流程图在通信系统模型上的表述。从图中可以看到，Alice至Bob的通信过程如下：

Alice在①生成私有密钥信息P。信号进入Alice发射机发送给Bob。在Alice发送信号时，信号自动的叠加上了Alice的设备指纹信息G_A。因此，Alice在②发送出的信号为PG_A。Alice发送出的信号经过Alice至Bob的信道H_AB被Bob接收。Bob在③接收得到信号PG_AH_AB。最终，Bob在接收端融入Bob的私有信息G_B和Q，在④得到信号PG_AH_ABQG_B。

从图中还可以看到，Bob至Alice的通信过程如下：

Bob在①生成私有密钥信息Q。信号进入Bob发射机发送给Alice。在Bob发送信号时，信号自动的叠加上了Bob的设备指纹信息G_B。因此，Bob在②发送出的信号为QG_B。Bob发送出的信号经过Bob至Alice的信道H_BA被Alice接收。Alice在③接收得到信号QG_BH_BA。最终，Alice在接收端融入Alice的私有信息G_A和P，在④得到信号QG_BH_BAPG_A。

由于在TDD模式下信道H_AB＝H_BA，因此PG_AH_ABQG_B＝QG_BH_BAPG_A。Alice和Bob可以通过最终的信道信息生成共享的密钥。

图3还分析了在有窃听者Eve情况下系统的安全性。当Alice发送信号给Bob时，Eve可以截获信息PG_AH_AE。同时，当Bob发送信号给Alice时，Eve也可以截获信息QG_BH_BE。由于H_AE、H_BE与H_AB不同，Eve无法通过截获的信息得到PG_AH_ABQG_B或QG_BH_BAPG_A。

图4是本发明方法省去发射端信号预处理环节的系统实现流程图在通信系统模型上的表述。在该情况下，系统不进行步骤2和步骤3，即发射端信号预处理。Alice和Bob通过步骤1获得设备指纹的先验信息G_A和G_B后，直接进入步骤4，将信号发送给对方。从图中可以看到，Alice至Bob的通信过程如下：

信号进入Alice发射机发送给Bob。在Alice发送信号时，信号自动的叠加上了Alice的设备指纹信息G_A。因此，Alice在①发送出的信号为G_A。Alice发送出的信号经过Alice至Bob的信道H_AB被Bob接收。Bob在②接收得到信号G_AH_AB。最终，Bob在接收端融入Bob的私有信息G_B，在③得到信号G_AH_ABG_B。

从图中还可以看到，Bob至Alice的通信过程如下：

信号进入Bob发射机发送给Alice。在Bob发送信号时，信号自动的叠加上了Bob的设备指纹信息G_B。因此，Bob在①发送出的信号为G_B。Bob发送出的信号经过Bob至Alice的信道H_BA被Alice接收。Alice在②接收得到信号G_BH_BA。最终，Alice在接收端融入Alice的私有信息G_A，在③得到信号G_BH_BAG_A。

由于在TDD模式下信道H_AB＝H_BA，因此G_AH_ABG_B＝G_BH_BAG_A。Alice和Bob可以通过最终的信道信息生成共享的密钥。

在此情况下，Eve可以窃听到信道信息G_AH_AE和G_BH_BE。由于H_AE、H_BE与H_AB不同，Eve无法通过截获的信息得到G_AH_ABG_B或G_BH_BAG_A。

图5是本发明方法省去设备指纹特征获取环节的系统实现流程图在通信系统模型上的表述。该情景适用于系统的设备指纹特征较小，对通信双方密钥产生的互易性影响不大的情况。该情景下系统不进行步骤1，即设备指纹特征获取。直接从步骤2开始。Alice和Bob生成各自的私有密钥P和Q，并通过步骤3对发送的信号进行预处理后进入步骤4发送信号给对方。从图中可以看到，Alice至Bob的通信过程如下：

Alice在①生成私有密钥信息P。由于设备指纹特征较小，在此情景下认为Alice发出的信号为P。Alice发送出的信号经过Alice至Bob的信道H_AB被Bob接收。Bob在②接收得到信号PH_AB。最终，Bob在接收端融入Bob的私有信息Q，在③得到信号PH_ABQ。

从图中还可以看到，Bob至Alice的通信过程如下：

Bob在①生成私有密钥信息Q。由于设备指纹特征较小，在此情景下认为Bob发出的信号为Q。Bob发送出的信号经过Bob至Alice的信道H_BA被Alice接收。Alice在②接收得到信号QH_BA。最终，Alice在接收端融入Alice的私有信息P，在③得到信号QH_BAP。

由于在TDD模式下信道H_AB＝H_BA，因此PH_ABQ＝QH_BAP。Alice和Bob可以通过最终的信道信息生成共享的密钥。

在此情况下，Eve可以窃听到信道信息PH_AE和QH_BE。由于H_AE、H_BE与H_AB不同，Eve无法通过截获的信息得到PH_ABQ或QH_BAP。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种融合私有信息的共享密钥安全通信方法，其特征在于：通信双方将各自的私有信息以及信道互易信息融合成发射信号后发送给对方，接收方接收到含有对方私有信息和信道互易信息的信号后，将自己的私有信息叠加在接收信号中，最终形成联合信息，通信双方基于该联合信息得到安全通信用的共享密钥。

2.根据权利要求1所述的融合私有信息的共享密钥安全通信方法，其特征在于：通信双方各自的私有信息为通信双方各自发射机的设备指纹信息和/或通信双方各自生成的私有密钥信息，即私有信息为发射机的设备指纹信息，或者私有信息为私有密钥信息，或者私有信息为发射机的设备指纹信息和私有密钥信息的融合。

3.根据权利要求2所述的融合私有信息的共享密钥安全通信方法，其特征在于：所述发射机的设备指纹信息是由发射机的电路、滤波器和放电器产生的具有一定频响特征的信息。

4.根据权利要求3所述的融合私有信息的共享密钥安全通信方法，其特征在于：所述发射机的设备指纹信息通过预先的测量或者校准得到，或者通过使用接收回路或者反馈电路得到。

5.根据权利要求2所述的融合私有信息的共享密钥安全通信方法，其特征在于：将私有信息融合到信道互易信息/叠加到接收信号中的方法为：将私有信息进行分组，分组的数量与信道互易信息/接收信号在频域的子载波数量相同，分组后的私有信息与子载波一一对应；将每个子载波对应的私有信息进行比特信息量化，基于量化的比特信息得到量化系数，将每个子载波的幅度和/或相位乘以对应的量化系数，完成私有信息与信道互易信息的融合/与接收信号的叠加。

6.根据权利要求2所述的融合私有信息的共享密钥安全通信方法，其特征在于：在通信双方每一次通信时各自产生一个新的私有密钥信息。