CN111278008A - 一种军用无人机群无密钥管理中心的安全通信方法及系统 - Google Patents

一种军用无人机群无密钥管理中心的安全通信方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种军用无人机群无密钥管理中心的安全通信方法及系统，应用于军用无人机群自组织网络系统，所述军用无人机群自组织网络系统包括若干架无人机，每架无人机都配备传感器和处理器设备；该通信方法包括步骤如下：相关信息提取、量化、信息协商、隐私放大；通信系统包括随机数生成模块、信号发送模块、信号接收模块、信息处理模块和通信模块；本发明所公开的方法及系统可以提高合法无人机之间共享密钥的生成速率，实现“一次一密”的通信方案，进而保证军用无人机群自组织网络中信息交互的安全性。

Description

一种军用无人机群无密钥管理中心的安全通信方法及系统
技术领域
本发明涉及分布式自组网络中的数据加密技术领域，特别涉及一种军用无人机群无密钥管理中心的安全通信方法及系统。
背景技术
军用无人机(Military UAV)是由遥控设备或自备程序进行控制操纵的不载人飞机。根据其控制方式，主要分为无线电遥控、自动程序控制和综合控制三种类型。无人机的诞生可以追溯到1914年第一次世界大战期间，英国军事航空学会提出研制一种通过无线电操纵的小型飞机，使它能够飞到敌方某一目标区上空，将事先装在小飞机上的炸弹投下去。近些年来随着高新技术在武器装备上的广泛应用，无人机的研制取得了突破性的进展，凭借其零伤亡、隐蔽性好、效费比高和机动性强等诸多优势，在多场局部战争中频频亮相，屡立战功，受到各国军界人士的高度赞誉。可以预言：在未来军事战场上，军用无人机将会重塑21世纪的作战模式。鉴于战场环境的动态性和不确定性，军用无人机的作战形式已逐渐由“单打独斗”式转为多设备、多平台的“集群合作”式。一方面，面对复杂的战场环境，单无人机生存能力有限，无法独立执行任务，而多个军用无人机构成的无人机群可以协同作战，能显著提高任务效率；另一方面，军用无人机群的智能化程度也不断提升，计算能力不断增强，存储能力不断提高，协同执行任务已然成为现实。
而军用无人机之间的协同作战必然需要通过无线通信来完成信息的收集、交换、指挥等。军用无人机节点动态性强，容易被击落、捕获和损毁，加上无线链路的不稳定性和无人机群执行任务的特殊性，使得军用无人机群网络极易受到各类攻击和窃听的威胁。一旦网络中的保密内容被敌人窃取，造成的后果可能是毁灭性的，因此如何保障军用无人机网络通信的安全性与可靠性成为各国军事作战方面的研究重点，该问题的解决具有极大的现实意义和实用价值。
军用无人机群网络在本质上是一种具有移动自组织性的无线传感器网络，因此对军用无人机网络通信安全的研究必然涉及移动自组网安全和无线网络安全，很多专家学者关于无人机网络安全的研究是基于移动节点网络模型，如华盛顿大学Gupta团队以及英国的Constantinides团队等。这些方案都是从现有的无线传感器网络或者移动自组网络中寻找到灵感，在原有理论基础上展开了进一步的研究；从信息理论安全角度着手的密钥管理方案也有不少，近些年有许多论文都在相关领域做了不少工作。针对无人机群的现有密钥管理方案主要分为两类：一部分研究者主张采用组密钥，即由多个协议参与方相互协作共同协商一个密钥。杜春来等提出了一种椭圆曲线域中基于双向身份认证的组密钥管理框架，使用门限系统增强了系统的稳定性；冯涛等介绍了一种轮数较少、组成员之间计算公平的组密钥管理方案；Fu等提出了基于集群的方式减少因节点变化导致需要更新组密钥的节点数，但簇头节点的计算量和通信量大。由于不能很好地解决节点变化带来的密钥更新问题，组密钥在应用上存在一定的局限性。另一部分研究者倾向于采用对密钥，即在单播通信中为通信双方提供身份验证的密钥。对比不同的对密钥管理方案，Singh等指出非对称密钥管理具有较高的安全性。Khalili等提出利用Shamir的(k,n)门限秘密分享思想实现CA的信任分布化的密钥管理思路，使用身份作为请求节点公钥，k个节点使用密钥份额合成请求节点私钥。
可以发现，现有的针对军用无人机安全技术的研究基本上都是在考虑密钥管理和认证协议的问题。而对于缺少可信任的第三方密钥管理中心或者是密钥管理中心已被敌方控制情况下的分布式军用无人机网络通信安全问题，暂时还没有完整可行的方案。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种军用无人机群无密钥管理中心的安全通信方法及系统，通过实施这种基于共享密钥提取和分层编码处理的方法及系统，来提高合法无人机之间共享密钥的生成速率，实现“一次一密”的通信方案，进而保证军用无人机群自组织网络中信息交互的安全性。
本方案核心思想是利用了无线信道这一天然密钥源，无线信道的短时互易性使得电磁信号在一定的时间周期内满足从A到B的信道响应和从B到A的信道响应相同，这为合法通信双方生成密钥的一致性提供了可能；同时无线信道的时空唯一性使得窃听信道与合法接收信道有着不同的信道特征，这也保证了密钥生成的安全性。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种军用无人机群无密钥管理中心的安全通信方法，应用于军用无人机群自组织网络系统，所述军用无人机群自组织网络系统包括若干架无人机，每架无人机都配备传感器和处理器设备；该通信方法包括步骤如下：
步骤一，相关信息提取：合法通信机通过无线信道发送和接收信号，合法通信双方从它们各自接收的信号中提取相关信息；
步骤二，量化：合法通信双方将模拟的相关信息转化为比特序列，形成初始密钥；
步骤三，信息协商：合法通信双方通过公共信道进行协商，对初始密钥进行处理，生成一致的密钥；
步骤四，隐私放大：合法通信双方删除信息协商阶段泄露的信息并对密钥进行压缩，进一步提高密钥的随机性。
上述方案中，所述步骤一的具体方法如下：
A、无人机A和无人机B分别生成随机数信号
Figure BDA0002364205440000031
和
Figure BDA0002364205440000032
其中，T表示相干时隙，T0表示完成一次发送所需的时间；
B、两架无人机通过无线信道轮流发送其生成的随机数；
在这一过程中，假设无人机A首先以功率PA发送随机数xA1，无人机B接收到信号如下：
YB1＝h0xA1+NB1， (Ⅰ)
其中，h0表示无人机A与无人机B之间无线信道的信道增益，NB1表示无人机B处接收到的噪声；
然后，无人机B以功率PB发送随机数xB1，无人机A接收到信号如下：
YA1＝h0xB1+NA1， (Ⅲ)
其中，h0表示无人机B与无人机A之间无线信道的信道增益，与式(Ⅰ)中h0相同，NA1表示无人机A处接收到的噪声；
C、重复上述无人机B过程
Figure BDA0002364205440000033
次直至相干时隙结束；
无人机A获得的相关信息，如式(Ⅴ)所示：
Figure BDA0002364205440000034
无人机B获得的相关信息，如式(VI)所示：
Figure BDA0002364205440000041
最终，通信双方生成的理论密钥速率如式(Ⅶ)所示：
Figure BDA0002364205440000042
其中，T表示相干时隙，即信道增益维持不变的时段，I(α；β)表示α与β两者之间的互信息量。
进一步的技术方案中，所述步骤一中，还包括参与辅助通信的中继机通过无线信道发送和接收信号。
上述方案中，所述步骤一的具体方法如下：
(1)参与密钥生成的所有军用无人机各自生成随机数
Figure BDA0002364205440000043
(2)各军用无人机通过无线信道轮流发送其生成的随机数；
在这一过程中，假设军用无人机A首先以功率PA发送随机数xA，军用无人机B以及其他中继无人机Ri分别接收到信号如下：
YB,A＝h0xA+NB,A， (1)
Figure BDA0002364205440000044
式(1)中，h0表示无人机A与无人机B之间无线信道的信道增益，NB,A表示无人机B接收到的噪声；
式(2)中，hi,A表示无人机A与无人机Ri之间无线信道的信道增益，
Figure BDA0002364205440000045
表示无人机Ri处接收到的噪声，i＝1,2,...,N；
然后，军用无人机B以功率PB发送随机数xB，军用无人机A以及其他中继无人机Ri分别接收到信号如下：
YA,B＝h0xB+NA,B， (3)
Figure BDA0002364205440000051
式(3)中，h0表示无人机B与无人机A之间无线信道的信道增益，NA,B表示无人机A接收到的噪声；
式(4)中，hi,B表示无人机B与无人机Ri之间无线信道的信道增益，
Figure BDA0002364205440000052
表示无人机Ri处接收到的噪声，i＝1,2,...,N；
接下来，中继无人机Ri以功率
Figure BDA0002364205440000053
轮流发送随机数
Figure BDA0002364205440000054
无人机A以及无人机B分别接收到信号如下：
Figure BDA0002364205440000055
Figure BDA0002364205440000056
式(5)中，hi,A表示无人机A与无人机Ri之间无线信道的信道增益，
Figure BDA0002364205440000057
表示无人机A处接收到的噪声，i＝1,2,...,N；
式(6)中，hi,B表示无人机B与无人机Ri之间无线信道的信道增益，
Figure BDA0002364205440000058
表示无人机B处接收到的噪声，i＝1,2,...,N；
(3)中继无人机轮流发送辅助信息
Figure BDA0002364205440000059
(4)军用无人机A进行信息估计，
Figure BDA00023642054400000510
由于无人机A与无人机Ri之间无线信道的互易性，
Figure BDA00023642054400000511
异或运算后结果只剩中间项；
(5)军用无人机B进行信息估计，
Figure BDA00023642054400000512
由于无人机B与无人机Ri之间无线信道的互易性，
Figure BDA0002364205440000061
异或运算后结果只剩第一项；
提取相关信息之后，无人机A获得的信息为
Figure BDA0002364205440000062
无人机B获得的信息为
Figure BDA0002364205440000063
最终通信双方生成的理论密钥速率如式(9)所示：
Figure BDA0002364205440000064
其中，T表示相干时隙，即信道增益维持不变的时段；N表示参与密钥生成的中继无人机的数量，I(α；β)表示α与β两者之间的互信息量。
上述方案中，所述步骤二的具体方法如下：
(1)无人机A将模拟的相关信息
Figure BDA0002364205440000065
转化为无人机A的初始比特序列，如式(10)所示：
Figure BDA0002364205440000066
(2)无人机B将模拟的相关信息
Figure BDA0002364205440000067
转化为无人机B的初始比特序列，如式(11)所示：
Figure BDA0002364205440000068
其中，量化方法采用均匀量化、LCA量化或者ASBG量化。
上述方案中，所述步骤三的具体方法如下：
(1)无人机A从码簿C中随机地选取码字c，计算s＝KA？c；
(2)无人机B计算c'＝KB？s并译码得到cB，如果c'与c之间的汉明距离小于纠错码的纠错门限，则cB＝c；
(3)无人机B计算K'B＝s？cB，得到与KA一致的密钥。
当信道不严格互易但信道增益具有一定相关性时，可以采取分层编码方式进行协商，其核心思想是对于同一个符号在不同层中错误率是相关的。
上述方案中，在所述步骤四中，无人机A和无人机B在全域哈希中随机选取一个哈希函数h将信息协商后长度为n的密钥映射为长度为r的密钥，如式(12)所示：
Figure BDA0002364205440000071
使得对于任意小的ε，式(13)成立：
H(K|P,V＝v)？rε； (13)
其中，P表示公开函数集合，V表示窃听者获得的关于密钥K的信息集合，v表示窃听者获得信息的具体值。
一种军用无人机群无密钥管理中心的安全通信系统，应用于无人机自组网络系统，所述无人机自组网络系统包括若干架无人机，每架无人机配有依次连接的随机数生成模块、信号发送模块、信号接收模块、信息处理模块和通信模块；
所述随机数生成模块用于：无人机A、无人机B以及中继辅助无人机生成各自的随机数信号；
所述信号发送模块用于：无人机A、无人机B以及中继辅助无人机依次轮流发送各自的随机数信号；
所述信号接收模块用于：无人机A和无人机B接收对方或者中继辅助无人机发出的信号；
所述信息处理模块用于：根据接收到的信息生成通信所需的密钥，具体步骤包括相关信息提取、量化、信息协商以及隐私放大。
通过上述技术方案，本发明提供的一种军用无人机群无密钥管理中心的安全通信方法及系统有益效果如下：
本发明利用无线信道这一天然随机源来生成安全通信所需的对称密钥。相比传统的无人机安全通信方案，本方案的通信过程不依赖于第三方密钥管理中心来进行密钥分发，这也更加符合现实作战环境下军用无人机系统自组织、无中心的特点。同时，在信息协商阶段本方案采用分层编码处理的方法来保证在无线信道不满足严格互易性，但信道增益具有一定相关性的情况下，仍能高效地生成密钥。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明提供的实施例1中一种无人机点对点安全通信流程图；
图2为本发明提供的实施例1中一种无人机点对点安全通信模型图；
图3为本发明提供的实施例2中一种无人机多中继机辅助安全通信模型图；
图4为本发明提供的一种无人机密钥协商过程中分层编码示意图；
图5为本发明提供的一种无人机自组网安全通信系统结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
一种无人机点对点安全通信方法，如图1所示，应用于无人机自组织网络系统，无人机通信模型如图2所示，该模型包括两架合法通信的无人机和一架非法窃听机，合法通信机之间通过无线信道提取相关信息，再经过量化、信息协商、隐私放大步骤，双方生成相同的密钥，并在公共信道上进行“一次一密”通信。包括步骤如下：
(1)相关信息提取：合法通信机通过无线信道发送和接收信号，合法通信双方从它们各自接收的信号中提取相关信息；包括步骤如下：
A、无人机A和无人机B分别生成随机数信号
Figure BDA0002364205440000081
和
Figure BDA0002364205440000082
其中，T表示相干时隙，T0表示完成一次发送所需的时间；
B、两架无人机通过无线信道轮流发送其生成的随机数；
在这一过程中，假设无人机A首先以功率PA发送随机数xA1，无人机B以及窃听机E分别接收到信号如下：
YB1＝h0xA1+NB1， (Ⅰ)
YE1＝h1xA1+NE1， (Ⅱ)
式(Ⅰ)中，h0表示无人机A与无人机B之间无线信道的信道增益，NB1表示无人机B处接收到的噪声；
式(Ⅱ)中，h1表示无人机A与窃听机E之间无线信道的信道增益，NE1表示窃听机E处接收到的噪声。
然后，无人机B以功率PB发送随机数xB1，无人机A以及窃听机E分别接收到信号如下：
YA1＝h0xB1+NA1， (Ⅲ)
YE2＝h2xB1+NE2， (IV)
式(Ⅲ)中，h0表示无人机B与无人机A之间无线信道的信道增益，与式(Ⅰ)中h0相同，NA1表示无人机A处接收到的噪声，
式(IV)中，h2表示无人机B与窃听机E之间无线信道的信道增益；NE2表示窃听机E处接收到的噪声。
C、重复上述无人机B过程
Figure BDA0002364205440000091
次直至相干时隙结束。
无人机A获得的相关信息，如式(Ⅴ)所示：
Figure BDA0002364205440000092
无人机B获得的相关信息，如式(VI)所示：
Figure BDA0002364205440000093
最终通信双方生成的理论密钥速率如式(Ⅶ)所示：
Figure BDA0002364205440000094
其中，T表示相干时隙，即信道增益维持不变的时段，I(α；β)表示α与β两者之间的互信息量。
在本实施例中，为了更清楚地说明上述技术方案所能生成高速率的密钥，这里将无人机通信模型简化为点对点通信方式，即无人机A与无人机B通过无线信道和公共信道直接通信，其基本原理与中继辅助的情况是一致的，而当两架无人机距离过远无法直接通信时，可采用中继辅助的方案。
对于点对点的密钥生成方法，传统的方案是通信双方发送一个已知的训练序列，双方根据收到的有信道加权信号和已知的训练序列来估计信道特征。传统方案的缺点是当无线信道变化缓慢时，也就是说相干时隙较长时，通信双方生成的理论密钥速率R＝I(YA；YB|xA,xB)/T较低；而本方案中通信双方发送的是随机数信号，在一个相干时隙内可以多次发送，由于无线信道的互易性，理想情况下通信双方的发送信号与接收信号的乘积是近似相等的，式(Ⅶ)中最后一步的结果可以看出，三项当中的第一项是传统方案的理论密钥速率，后两项便是本方案所带来的密钥速率的提高部分。
可以看出，窃听机获取的信息与无人机A、B之间的信息是没有相关性的，因为窃听信道与无人机A、B之间的信道是独立的；而无人机A、B可利用他们之间的无线信道的互易性提取相关信息。
(2)量化：合法通信双方将模拟的相关信息转化为比特序列，形成初始密钥；
在本实施例中，量化方法有很多，参考传统的量化方法可以采用均匀量化、LCA量化或者ASBG量化等，包括具体步骤如下：
D、无人机A将模拟的相关信息
Figure BDA0002364205440000101
转化为无人机A的初始比特序列，如式(Ⅷ)所示：
Figure BDA0002364205440000102
E、无人机B将模拟的相关信息
Figure BDA0002364205440000103
转化为无人机B的初始比特序列，如式(Ⅸ)所示：
Figure BDA0002364205440000104
(3)信息协商：合法通信双方通过公共信道进行协商，对初始密钥进行处理，生成一致的密钥；包括具体步骤如下：
F、无人机A从码簿C中随机地选取码字c，计算s＝KA？c；
G、无人机B计算c'＝KB？s并译码得到cB，如果c'与c之间的汉明距离小于纠错码的纠错门限，则cB＝c；
H、无人机B计算K'B＝s？cB，得到与KA一致的密钥。
当信道不严格互易但信道增益具有一定相关性时，可以采取如图4所示的分层编码方式进行协商，其核心思想是对于同一个符号在不同层中错误率是相关的。
(4)隐私放大：合法通信双方删除信息协商阶段泄露的信息并对密钥进行压缩，进一步提高密钥的随机性。
无人机A和无人机B在全域哈希中随机选取一个哈希函数h将信息协商后长度为n的密钥映射为长度为r的密钥，如式(Ⅹ)所示：
Figure BDA0002364205440000111
使得对于任意小的ε，式(Ⅺ)成立：
H(K|P,V＝v)？rε。 (Ⅺ)
其中，P表示公开函数集合，V表示窃听者获得的关于密钥K的信息集合，v表示窃听者获得信息的具体值。
本发明确保通信过程满足信息论安全性。由于生成的密钥可以先存储起来，需要通信时再使用，因此密钥生成的过程不影响通信的实时性，“一次一密”的通信方案能够满足无人机网络对系统实时性的要求。
实施例2
如图3所示，一种包含辅助通信的中继机的安全通信方法：
步骤一，相关信息提取：合法通信机以及参与辅助通信的中继机通过无线信道发送和接收信号，合法通信双方从它们各自接收的信号中提取相关信息；
(1)参与密钥生成的所有军用无人机各自生成随机数
Figure BDA0002364205440000112
(2)各军用无人机通过无线信道轮流发送其生成的随机数；
在这一过程中，假设军用无人机A首先以功率PA发送随机数xA，军用无人机B以及其他中继无人机Ri分别接收到信号如下：
YB,A＝h0xA+NB,A， (1)
Figure BDA0002364205440000121
式(1)中，h0表示无人机A与无人机B之间无线信道的信道增益，NB,A表示无人机B接收到的噪声；
式(2)中，hi,A表示无人机A与无人机Ri之间无线信道的信道增益，
Figure BDA0002364205440000122
表示无人机Ri处接收到的噪声，i＝1,2,...,N；
然后，军用无人机B以功率PB发送随机数xB，军用无人机A以及其他中继无人机Ri分别接收到信号如下：
YA,B＝h0xB+NA,B， (3)
Figure BDA0002364205440000123
式(3)中，h0表示无人机B与无人机A之间无线信道的信道增益，NA,B表示无人机A接收到的噪声；
式(4)中，hi,B表示无人机B与无人机Ri之间无线信道的信道增益，
Figure BDA0002364205440000124
表示无人机Ri处接收到的噪声，i＝1,2,...,N；
接下来，中继无人机Ri以功率
Figure BDA0002364205440000125
轮流发送随机数
Figure BDA0002364205440000126
无人机A以及无人机B分别接收到信号如下：
Figure BDA0002364205440000127
Figure BDA0002364205440000128
式(5)中，hi,A表示无人机A与无人机Ri之间无线信道的信道增益，
Figure BDA0002364205440000129
表示无人机A处接收到的噪声，i＝1,2,...,N；
式(6)中，hi,B表示无人机B与无人机Ri之间无线信道的信道增益，
Figure BDA00023642054400001210
表示无人机B处接收到的噪声，i＝1,2,...,N；
(3)中继无人机轮流发送辅助信息
Figure BDA00023642054400001211
(4)军用无人机A进行信息估计，
Figure BDA0002364205440000131
(5)军用无人机B进行信息估计，
Figure BDA0002364205440000132
提取相关信息之后，无人机A获得的信息为
Figure BDA0002364205440000133
无人机B获得的信息为
Figure BDA0002364205440000134
最终通信双方生成的理论密钥速率如式(9)所示：
Figure BDA0002364205440000135
其中，T表示相干时隙，即信道增益维持不变的时段；N表示参与密钥生成的中继无人机的数量，I(α；β)表示α与β两者之间的互信息量。
步骤二，量化：合法通信双方将模拟的相关信息转化为比特序列，形成初始密钥；
(1)无人机A将模拟的相关信息
Figure BDA0002364205440000136
转化为无人机A的初始比特序列，如式(10)所示：
Figure BDA0002364205440000137
(2)无人机B将模拟的相关信息
Figure BDA0002364205440000138
转化为无人机B的初始比特序列，如式(11)所示：
Figure BDA0002364205440000139
其中，量化方法采用均匀量化、LCA量化或者ASBG量化。
步骤三，信息协商：合法通信双方通过公共信道进行协商，对初始密钥进行处理，生成一致的密钥；
(1)无人机A从码簿C中随机地选取码字c，计算s＝KA？c；
(2)无人机B计算c'＝KB？s并译码得到cB，如果c'与c之间的汉明距离小于纠错码的纠错门限，则cB＝c；
(3)无人机B计算K'B＝s？cB，得到与KA一致的密钥。
当信道不严格互易但信道增益具有一定相关性时，可以采取如图4所示的分层编码方式进行协商，其核心思想是对于同一个符号在不同层中错误率是相关的。
步骤四，隐私放大：合法通信双方删除信息协商阶段泄露的信息并对密钥进行压缩，进一步提高密钥的随机性。
无人机A和无人机B在全域哈希中随机选取一个哈希函数h将信息协商后长度为n的密钥映射为长度为r的密钥，如式(12)所示：
Figure BDA0002364205440000141
使得对于任意小的ε，式(13)成立：
H(K|P,V＝v)？rε； (13)
其中，P表示公开函数集合，V表示窃听者获得的关于密钥K的信息集合，v表示窃听者获得信息的具体值。
一种军用无人机群无密钥管理中心的安全通信系统，如图5所示，应用于无人机自组网络系统，所述无人机自组网络系统包括若干架无人机，每架无人机配有依次连接的随机数生成模块、信号发送模块、信号接收模块、信息处理模块和通信模块。
随机数生成模块用于：生成随机数信号。通信双方必须各自生成随机数信号xA和xB，如果通信双方距离过远需要中继机辅助时，参与辅助的一架或多架中继无人机也要生成自己的随机数信号
Figure BDA0002364205440000142
信号发送模块用于：发送随机数信号。通信无人机A、通信无人机B以及中继辅助无人机(如果需要的话)依次轮流发送各自的随机数信号。
信号接收模块用于：接收合法通信无人机或者中继辅助无人机发出的信号。无人机A接收到的信息为YA,B＝h0xB+NA,B和
Figure BDA0002364205440000143
无人机B接收到的信息为
Figure BDA0002364205440000144
信息处理模块用于：根据接收到的信息生成通信所需的密钥，具体步骤包括相关信息提取、量化、信息协商以及隐私放大。通信双方首先从接收模块中提取相关信息，无人机A提取的信息为
Figure BDA0002364205440000151
无人机B提取的信息为
Figure BDA0002364205440000152
依据无线信道的短时互易性，这两组信息是高度相关的。之后通过量化将模拟的相关信息转化为比特序列，形成初始密钥。接下来要在公共信道上对初始密钥进行信息协商和隐私放大，生成最终的用于加密通信的密钥。
通信模块用于：利用上述模块生成的密钥进行“一次一密”信息传输，能够保证传输信息具有信息论安全性。
本系统满足军用无人机通信的信息论安全性要求。
本发明创新了一种无人机密钥生成的方法，解决了常见的物理层密钥生成过程中由于无线信道变化缓慢或者信道不严格互易带来的生成密钥速率低的问题，提高了密钥生成速率。由于生成的密钥可以先存储起来，需要通信时再使用，因此密钥生成的过程不影响通信的实时性，“一次一密”的通信方案能够满足无人机网络对系统实时性的要求。
综上所述，本发明一种军用无人机群无密钥管理中心的安全通信方法及系统，通过理论分析，本系统从信息论安全角度满足军用无人机之间通信的安全性要求。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种军用无人机群无密钥管理中心的安全通信方法，其特征在于，应用于军用无人机群自组织网络系统，所述军用无人机群自组织网络系统包括若干架无人机，每架无人机都配备传感器和处理器设备；该通信方法包括步骤如下：
步骤一，相关信息提取：合法通信机通过无线信道发送和接收信号，合法通信双方从它们各自接收的信号中提取相关信息；
步骤二，量化：合法通信双方将模拟的相关信息转化为比特序列，形成初始密钥；
步骤三，信息协商：合法通信双方通过公共信道进行协商，对初始密钥进行处理，生成一致的密钥；
步骤四，隐私放大：合法通信双方删除信息协商阶段泄露的信息并对密钥进行压缩，进一步提高密钥的随机性。
2.根据权利要求1所述的一种军用无人机群无密钥管理中心的安全通信方法，其特征在于，所述步骤一中，还包括参与辅助通信的中继机通过无线信道发送和接收信号。
3.根据权利要求1所述的一种军用无人机群无密钥管理中心的安全通信方法，其特征在于，所述步骤一的具体方法如下：
A、无人机A和无人机B分别生成随机数信号
Figure FDA0002364205430000011
和
Figure FDA0002364205430000012
其中，T表示相干时隙，T0表示完成一次发送所需的时间；
B、两架无人机通过无线信道轮流发送其生成的随机数；
在这一过程中，假设无人机A首先以功率PA发送随机数xA1，无人机B接收到信号如下：
YB1＝h0xA1+NB1， (Ⅰ)
其中，h0表示无人机A与无人机B之间无线信道的信道增益，NB1表示无人机B处接收到的噪声；
然后，无人机B以功率PB发送随机数xB1，无人机A接收到信号如下：
YA1＝h0xB1+NA1， (Ⅲ)
其中，h0表示无人机B与无人机A之间无线信道的信道增益，与式(Ⅰ)中h0相同，NA1表示无人机A处接收到的噪声；
C、重复上述无人机B过程
Figure FDA0002364205430000021
次直至相干时隙结束；
无人机A获得的相关信息，如式(Ⅴ)所示：
Figure FDA0002364205430000022
无人机B获得的相关信息，如式(VI)所示：
Figure FDA0002364205430000023
最终，通信双方生成的理论密钥速率如式(Ⅶ)所示：
Figure FDA0002364205430000024
其中，T表示相干时隙，即信道增益维持不变的时段，I(α；β)表示α与β两者之间的互信息量。
4.根据权利要求2所述的一种军用无人机群无密钥管理中心的安全通信方法，其特征在于，所述步骤一的具体方法如下：
(1)参与密钥生成的所有军用无人机各自生成随机数
Figure FDA0002364205430000025
(2)各军用无人机通过无线信道轮流发送其生成的随机数；
在这一过程中，假设军用无人机A首先以功率PA发送随机数xA，军用无人机B以及其他中继无人机Ri分别接收到信号如下：
YB,A＝h0xA+NB,A， (1)
Figure FDA0002364205430000031
式(1)中，h0表示无人机A与无人机B之间无线信道的信道增益，NB,A表示无人机B接收到的噪声；
式(2)中，hi,A表示无人机A与无人机Ri之间无线信道的信道增益，
Figure FDA0002364205430000032
表示无人机Ri处接收到的噪声，i＝1,2,...,N；
然后，军用无人机B以功率PB发送随机数xB，军用无人机A以及其他中继无人机Ri分别接收到信号如下：
YA,B＝h0xB+NA,B， (3)
Figure FDA0002364205430000033
式(3)中，h0表示无人机B与无人机A之间无线信道的信道增益，NA,B表示无人机A接收到的噪声；
式(4)中，hi,B表示无人机B与无人机Ri之间无线信道的信道增益，
Figure FDA0002364205430000034
表示无人机Ri处接收到的噪声，i＝1,2,...,N；
接下来，中继无人机Ri以功率
Figure FDA0002364205430000035
轮流发送随机数
Figure FDA0002364205430000036
无人机A以及无人机B分别接收到信号如下：
Figure FDA0002364205430000037
Figure FDA0002364205430000038
式(5)中，hi,A表示无人机A与无人机Ri之间无线信道的信道增益，
Figure FDA0002364205430000039
表示无人机A处接收到的噪声，i＝1,2,...,N；
式(6)中，hi,B表示无人机B与无人机Ri之间无线信道的信道增益，
Figure FDA00023642054300000310
表示无人机B处接收到的噪声，i＝1,2,...,N；
(3)中继无人机轮流发送辅助信息
Figure FDA00023642054300000311
(4)军用无人机A进行信息估计，
Figure FDA0002364205430000041
由于无人机A与无人机Ri之间无线信道的互易性，
Figure FDA0002364205430000042
异或运算后结果只剩中间项；
(5)军用无人机B进行信息估计，
Figure FDA0002364205430000043
由于无人机B与无人机Ri之间无线信道的互易性，
Figure FDA0002364205430000044
异或运算后结果只剩第一项；
提取相关信息之后，无人机A获得的信息为
Figure FDA0002364205430000045
无人机B获得的信息为
Figure FDA0002364205430000046
最终通信双方生成的理论密钥速率如式(9)所示：
Figure FDA0002364205430000047
其中，T表示相干时隙，即信道增益维持不变的时段；N表示参与密钥生成的中继无人机的数量，I(α；β)表示α与β两者之间的互信息量。
5.根据权利要求3或4所述的一种军用无人机群无密钥管理中心的安全通信方法，其特征在于，所述步骤二的具体方法如下：
(1)无人机A将模拟的相关信息
Figure FDA0002364205430000048
转化为无人机A的初始比特序列，如式(10)所示：
Figure FDA0002364205430000049
(2)无人机B将模拟的相关信息
Figure FDA00023642054300000410
转化为无人机B的初始比特序列，如式(11)所示：
Figure FDA00023642054300000411
其中，量化方法采用均匀量化、LCA量化或者ASBG量化。
6.根据权利要求1所述的一种军用无人机群无密钥管理中心的安全通信方法，其特征在于，所述步骤三的具体方法如下：
(1)无人机A从码簿C中随机地选取码字c，计算s＝KA？c；
(2)无人机B计算c'＝KB？s并译码得到cB，如果c'与c之间的汉明距离小于纠错码的纠错门限，则cB＝c；
(3)无人机B计算K'B＝s？cB，得到与KA一致的密钥。
当信道不严格互易但信道增益具有一定相关性时，可以采取分层编码方式进行协商，其核心思想是对于同一个符号在不同层中错误率是相关的。
7.根据权利要求1所述的一种军用无人机群无密钥管理中心的安全通信方法，其特征在于，在所述步骤四中，无人机A和无人机B在全域哈希中随机选取一个哈希函数h将信息协商后长度为n的密钥映射为长度为r的密钥，如式(12)所示：
Figure FDA0002364205430000051
使得对于任意小的ε，式(13)成立：
H(K|P,V＝v)？r ε； (13)
其中，P表示公开函数集合，V表示窃听者获得的关于密钥K的信息集合，v表示窃听者获得信息的具体值。
8.一种军用无人机群无密钥管理中心的安全通信系统，其特征在于，应用于无人机自组网络系统，所述无人机自组网络系统包括若干架无人机，每架无人机配有依次连接的随机数生成模块、信号发送模块、信号接收模块、信息处理模块和通信模块；
所述随机数生成模块用于：无人机A、无人机B以及中继辅助无人机生成各自的随机数信号；
所述信号发送模块用于：无人机A、无人机B以及中继辅助无人机依次轮流发送各自的随机数信号；
所述信号接收模块用于：无人机A和无人机B接收对方或者中继辅助无人机发出的信号；
所述信息处理模块用于：根据接收到的信息生成通信所需的密钥，具体步骤包括相关信息提取、量化、信息协商以及隐私放大。
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