CN113193952A - 一种可对抗无穷多窃听天线和合作窃听的高安全通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可对抗无穷多窃听天线和合作窃听的高安全通信方法，发送方从数据帧中抽取部分作为随机比特，从而确定随机的接收子信道，根据上行信道状态和随机比特进行预编码，随机比特以及无线信道的随机性和独立性使得窃听者无法通过增加天线的方式获得信道状态无法恢复密钥比特。另一方面，随机比特可当作密钥比特在收发双方的正常通信中安全而隐秘地分享给接收方。本发明可以保证高强度物理层安全传输，该优势是现有物理层安全方法无法达到的；同时将密钥生成过程嵌入到正常的通信过程中，密钥生成的过程中始终保证数据的传输不会中断，具有低功耗，低复杂度，低干扰的特点。

Description

一种可对抗无穷多窃听天线和合作窃听的高安全通信方法

技术领域

本发明涉及通信技术，特别涉及物理层安全预编码技术。

背景技术

随着5G网络及物联网的快速发展，无线网络中的各种机密和敏感数据等呈海量式增长，随之而来的信息安全问题越来越突出。无线移动信道的广播特性和移动特性，使得网络中合法用户的通信很容易遭到非法用户的窃听和攻击。在传统无线通信网络中，通常在网络层及上层使用基于密码学的加密技术保障系统通信安。然而仅仅依靠现有的密码学安全技术应用于未来无线移动网络大量业务和应用场景，尤其是在大规模物联网应用中海量无线设备通常在无人监控下以低功耗运行，其计算资源和电源效率十分有限，无法支持高计算复杂的加密以及认证技术。因此，基于物理信道的安全通信技术旨在充分利用无线传输的信道的唯一性和独立特性，结合信号设计、调制和编码等技术，提高合法信道的接收质量，同时恶化和扰乱攻击者信道和接收条件，使得窃听者无法获取到任何与合法双方传输的秘密信息相关的信息，从而实现高强度和轻重量的安全传输。

然而，当前物理层安全传输技术，包括多天线波束成形与预编码，人工噪声，协作干扰等技术都无法直接对抗具有无穷多天线的窃听者或者无穷多个合作的窃听节点。在实际应用中，窃听者只需要增加自己的窃听天线数量，并在接收端利用最大比合并接收(MRC)等信号处理技术合并各窃听天线(节点)上的信号，就可使窃听方接收质量(信噪比或信干噪比)得到提升。学术界已经证明，如果窃听者的天线数量超过合法通信双方总和的一定比例，窃听者可以使其接收信号质量超过合法接收者，使得窃听者可以获取机密信息，此时安全通信失效，其物理层安全容量为0。随着5G大规模MIMO和分布式MIMO的迅速发展，一个拥有丰富天线资源的窃听者总可以使用大量的天线进行窃听，或者他同样可能在网络中部署大量的分布式窃听节点。而考虑在现实应用中，合法通信双方不可能知道窃听者到底用了多少根天线进行窃听，因此很难使用更多的天线去对抗窃听者。而目前的物理层安全传输技术无法对抗具有超过合法通信双方天线总数的窃听者。

另一方面，在传统无线通信网络中，通常需要在网络层及上层使用基于密码学的加密技术以保障数据通信的安全，而各种加密认证技术均需要在通信双方之间建立安全的共享密钥。然而在未来的大规模物联网应用场景中将接入海量的资源受限的小型传感节点，从而使得基于密码学的密钥分发和管理的复杂度和成本很高，甚至难以实现。

基于物理信道特征的密钥生成与分发技术，其基本原理是利用无线衰落信道的物理随机性和不可伪造的特点来生成和分发合法用户间的密钥，通常在多径散射丰富的环境下，若攻击者距离合法节点超过1～2个物理信号波长时则无法推测出密钥信息。目前，关于物理层密钥生成已有一些初步的研究结果，但是当前的物理层密钥生成的速率较慢，其速率和信道变化快慢高度相关。在典型的室内和室外的多天线通信信道中达到以低于10^-2数量级的密钥错误率建立一个128比特长度的AES对称加密密钥需要10秒甚至更长时间，造成通信的中断或者时延。同时，由于双方建立密钥的过程中需要在公共信道上进行双向导频信号发送和多次交互，使得通信协议的复杂度较高，存在信息泄露的隐患。

发明内容

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种可对抗无穷多窃听天线和合作窃听的高安全通信方法，包括以下步骤：

1)发送方将待发送数据帧的比特划分为随机部分与非随机部分，随机部分由随机比特组成，非随机部分由非随机比特组成；在随机部分中按比例取出随机比特作为密钥比特，剩下的随机比特与非随机比特一起与密钥比特进行异或，异或结果为加密比特；

2)发送方将密钥比特映射为密钥符号，密钥符号对应于接收方所有可能的激活子信道组合中选择一个组合作为发送预编码的选择基准；

3)发送方对下行信道状态进行奇异值分解得到右奇异矩阵，将去掉全零列后的右奇异矩阵作为备选的预编码向量空间，按照所述发送预编码的选择基准在备选的预编码向量空间选择发送预编码；同时将奇异值分解得到的左奇异矩阵发送至接收方；利用发送预编码调制加密比特得到调制符号流并发送；

4)接收方利用接收到的左奇异矩阵处理接收信号得到接收向量，并通过测量每条子信道的信号强度估计发送预编码的选择基准，再通过逆映射得到观测密钥符号和观测密钥比特；

5)接收方根据观测到的发送预编码的选择基准中非零元素对应的子信道来解调接收到的调制符号并得到观测加密比特；

6)接收方将观察密钥比特异或观测加密比特得到数据帧中除去密钥比特的所有随机比特与非随机比特的观测结果，再根据观测密钥比特和数据帧中除去密钥比特的所有随机比特与非随机比特的观测结果恢复出数据帧的随机部分和非随机部分，最终恢复数据帧。

本发明的发送方从数据帧中抽取部分作为随机比特，从而确定随机的接收子信道，根据上行信道状态和随机比特进行预编码，随机比特以及无线信道的随机性和独立性使得窃听者无法通过增加天线的方式获得信道状态无法恢复密钥比特。

另一方面，上述方案提供一种在无线通信的过程中同时实现密钥分享的方法。步骤1)中发送方在随机部分中按比例取出随机比特作为密钥比特形成一个随机生成的二进制密钥比特流，并将该密钥比特在收发双方的正常通信中通过该预编码方法安全而隐秘地分享给接收方。

针对现有技术中，当前的物理层密钥生成技术正常的通信过程与密钥分发不能同时进行，在实际应用中会造成通信的中断或者时延增大。因此，本发明将密钥生成过程通过随机嵌入到正常的通信过程中，实现在通信过程中同时进行物理层密钥分发，使得密钥共享不会造成通信的中断和时延，密钥生成的过程中始终保证数据的传输不会中断，而窃听者不仅不能窃听到有关密钥的任何信息，并且还很难察觉合法双方正在通信的同时进行着密钥分享的过程。

本发明的有益效果是：

1)性能优势：可对抗具有任意多天线数量的窃听者或具有任意多个协作节点的窃听者，且合法收发双方无需预先共享任何密钥信息，使得无论窃听者使用多少根天线进行窃听，仍然可以保证高强度物理层安全传输，该优势是现有物理层安全方法无法达到的；另一方面，本发明实现密钥分享仅需要一次导频信号发送，并且无需密钥量化和隐私放大中在公共信道协商的过程，避免了信息泄露的隐患，提高了安全性。

2)复杂度优势：因为无需任何额外的人工噪声或协作干扰，即实现可对抗任意多天线的窃听者的物理层安全通信，不会增加网络的额外负担或对其他用户造成多余干扰，低功耗，低复杂度，低干扰；另一方面，本发明的密钥分发过程仅需要一次导频信号发送，并且无需双方进行密钥量化和隐私放大，因此无需双方在公共信道上进行与上述过程相关的多次交互协商，降低了复杂度。

3)低开销和灵活性：密钥分发双方只需进行单向导频发送，无需进行导频互发，节约开销；能很灵活的兼容到正常的通信的过程当中。

附图说明

图1为系统模型；

图2为本发明流程图；

图3为Bob和Eve的误码率性能，Eve分别使用4,8,100根天线；

图4为Bob和Eve在不同信噪比下的获得密钥比特的不一致率。

具体实施方式

本发明通过一种全新的数据帧处理结合SVD特征值分解预编码技术，在不引入任何额外人工噪声的情况下，实现对抗具有任意窃听天线和合作窃听节点的窃听者的物理层安全传输技术。

硬件条件

系统模型如图1所示：

保护半径：合法通信双方Alice和Bob分别利用一个保护区域围绕自己，其半径为R,使得窃听者Eve不能进入保护区域进行窃听。保护区域的半径长度R需大于信道的不相关距离，也即保证Eve与Alice和Bob的距离大于R，保证了Eve的信道与Alice和Bob的信道相互独立。R的长度由信道传播环境和载频频率决定，频率越高则R越小。在散射充分环境下一般为10cm-150cm之间。

收发天线数量：合法通信双方Alice和Bob至少配备2根天线。下文用N_A和N_B分别表示Alice和Bob的天线数，不失一般性，如图1所示，以Alice向Bob传输秘密信息的链路为例说明，N_A≥N_B＞1，上行信道状态H_AB。而窃听者Eve，Eve拥有N_E根天线，N_E可以为任意数目，窃听信道状态H_AE。

软件实现

方法步骤如图2所示：

双方在通信之前首先确定接收方的接收天线数量N_B、发送方传输数据时的调制符号流数N、通信所用的调制方式的星座信号阶数M_S和采用的调制方式的星座的总数M，1≤N≤N_B-1。Alice为发送方，Bob为接收方。

S1：设待传输数据帧共有D_l位比特。Alice首先将数据帧中的二进制比特分为随机的比特部分(主要包括数据比特)b_R和非随机比特部分b_NR(包括帧头，帧尾等含有地址等信息的非随机比特)。Alice从b_R中取出长度为D_l/(1+N)位随机比特作为密钥比特b_k。其中N表示带传输的通信数据流数。(如果b_R的比特数量不足，Alice随机生成相应的二进制比特填充进b_R中，以保证Alice可以提取出足够数量的随机比特b_k)。

S2：Alice将数据帧中除去b_k的剩余所有ND_l/(1+N)位比特表示为b_m。Alice将b_m＝(b_m,1,b_m,2,...,b_m,N)分为N份，其中每份b_m,i为一列i＝1,2,...,N,每列有M_S位比特，M_S＝log₂M，且M_S＝D_l/(1+N)，m＝1,2,...,D_l/(1+N)，M_S为通信所用的调制方式的星座信号阶数，M为采用的调制方式的星座的总数。例如BPSK中，M_S＝1，M＝2。

S3：Alice随机利用b_k异或b_m＝(b_m,1,b_m,2,...,b_m,N)得到加密比特b_s：

Alice将加密比特b_s＝(b_s,1,b_s,2,...,b_s,N)作为待调制数据。

S4：Alice已知接收方的接收天线数N_B，确定Bob的可激活子信道编号集合

如下

例如，N_B＝2,N＝1，则

所有可能的激活子信道组合E表示为

表示双向映射，E中每列一种激活子信道组合，行对应N_B个子信道，元素0表示不激活对应该组合下该子信道，1表示激活对应该组合下该子信道；式(3)中

中的0与1分别表示Bob的第1条子信道与第2条子信道；E的第1个列向量e₁中的1表示激活Bob的第1条子信道，0表示不激活的Bob第2条子信道，E的第2个列向量e₂中的0表示不激活Bob的第1条子信道，1表示不激活的Bob第2条子信道。

中的元素与E中列一对一映射。

S5：Alice将密钥比特b_k映射成密钥符号

可将二进制比特b_k映射为N_B进制。根据K的值，选择E中的第K+1列E(:,K+1)作为发送预编码的选择基准，E(:,K+1)表示第K+1列所有行。

S6：，Alice根据Bob的导频序列估计上行信道H_BA并转置得到下行信道

再对H_AB进行奇异值分解SVD得到：

H_AB＝UDV^H (4)

其中，D为对角矩阵，U与V为左、右奇异矩阵，均为酉矩阵。

S7：Alice将酉矩阵V的全零列去除，得到备选的预编码向量空间为

其中N_B个

为V′的列向量。

S8：Alice选择对应E(:,K+1)中非零元素在V′中选择列向量V′(e)构成发送预编码。例如，当K＝0，E(:,K+1)＝e₁＝[1,0]，Alice选择V′中的第一列为发送预编码V′(e)＝[v₁]。Alice将加密比特b_s调制至成待发送的符号s＝(s₁,..,s_N)。Alice将矩阵U通过公共无错信道反馈给Bob，然后在限定发送总功率P_T下利用预编码

发送通信数据符号流s＝(s₁,s₂,...,s_N)发送给Bob。

S9：Bob利用共轭转置的矩阵U^H乘以接收信号Y得到向量r

其中，n为噪声，σ₁,σ₂,...,σ_N表示激活(非零)的子信道依次对应的E(:,K+1)中非零元素的位置。

S10：Bob直接测量向量

里每个元素的信号加噪声强度SPN如下

α_i＝|r_i|²，i＝1,2,...N_B (7)

S11：Bob选择出其中最大的N个α_i，α_i的下标对应预编码向量空间的列向量e＝V′(e)中非零元素的位置。Bob因此根据观测的

得到观测密钥符号

和观测密钥比特

如下

S12：Bob根据观测到的

中N个非零元素对应的N个子信道独立解调恢复观测调制符号

并得到观测加密比特

S10-S12根据向量r逐步得到观测得到

和

的方法为已有技术。

S13：Bob利用观测密钥比特

异或观测加密比特

得到比特

为数据帧中除去b_k的剩余所有ND_l/(1+N)位比特的观测结果

S14：Bob利用观测密钥比特

和比特

采用与S1相应的逆处理来恢复出数据帧的随机部分

和非随机部分

至此，Bob恢复出数据帧里所有比特。

上述通信过程中，直至Bob观测到密钥比特

就完成了密钥分发，Bob与Alice的密钥一致性确认可以使用采用当前主流的方法，本申请不在此赘述。

如图3所示，Bob和Eve的误码率性能，Eve分别使用4,8,100根天线，可以看出本发明方法中使得无论窃听者使用4、8或者100根天线进行窃听，仍然可以保证其接收机密信息的误码率为0.5。

如图4所示，在不同信噪比SNR下的获得密钥比特的不一致率key error rate，当密钥比特长度L分别为32，64，128时，Eve均无法窃听到有关密钥的任何有用信息。

Claims (5)

1.一种可对抗无穷多窃听天线和合作窃听的高安全通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)发送方将待发送数据帧的比特划分为随机部分与非随机部分，随机部分由随机比特组成，非随机部分由非随机比特组成；在随机部分中按比例取出随机比特作为密钥比特，剩下的随机比特与非随机比特一起与密钥比特进行异或，异或结果为加密比特；

2)发送方将密钥比特映射为密钥符号，密钥符号对应于接收方所有可能的激活子信道组合中选择一个组合作为发送预编码的选择基准；

3)发送方对下行信道状态进行奇异值分解得到右奇异矩阵，将去掉全零列后的右奇异矩阵作为备选的预编码向量空间，按照所述发送预编码的选择基准在备选的预编码向量空间选择发送预编码；同时将奇异值分解得到的左奇异矩阵发送至接收方；利用发送预编码调制加密比特得到调制符号流并发送；

4)接收方利用接收到的左奇异矩阵处理接收信号得到接收向量，并通过测量每条子信道的信号强度估计发送预编码的选择基准，再通过逆映射得到观测密钥符号和观测密钥比特；

5)接收方根据观测到的发送预编码的选择基准中非零元素对应的子信道来解调接收到的调制符号并得到观测加密比特；

6)接收方将观察密钥比特异或观测加密比特得到数据帧中除去密钥比特的所有随机比特与非随机比特的观测结果，再根据观测密钥比特和数据帧中除去密钥比特的所有随机比特与非随机比特的观测结果恢复出数据帧的随机部分和非随机部分，最终恢复数据帧。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，步骤1)中在随机部分中按比例取出随机比特的比例为数据帧总长度的1/(N+1)，N为发送方传输数据时的调制符号流数，1≤N≤N_B-1，N_B为接收方的接收天线数量。

3.如权利要求2所述方法，其特征在于，在进行异或之前，将数据帧中除去密钥比特的所有随机比特与非随机比特分为N份，其中每份有M_S位比特，M_S＝log₂M，M_S为通信所用的调制方式的星座信号阶数，M为采用的调制方式的星座的总数。

4.如权利要求1所述方法，其特征在于，步骤3)中发送方根据来自接收方的导频序列进行上行信道状态估计，再根据得到上行信道状态得到下行信道状态，在对对下行信道状态进行奇异值分解。

5.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述随机部分为待发送数据帧的数据内容，所述非随机部分包括待发送数据帧的帧头和帧尾。

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