CN114448615A - 基于自适应滤波的物理层密钥预处理方法和介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于自适应滤波的物理层密钥预处理方法和介质，包括：以A为主节点向从节点B发送信道探测序列，节点B接收到节点A发送来的信道探测序列后立刻回发相同的信道探测序列，并在本地进行信道估计，节点A接收到节点B发送来的信道探测序列后也在本地进行信道估计；合法通信双方分别在本地进行自适应滤波滤除噪声；将自适应滤波后的信道特征值分别在本地进行物理层密钥生成算法。本发明在密钥生成速率几乎不变的前提下，有效的降低了密钥不一致率，具有切实可行的实用价值和应用前景。

Description

基于自适应滤波的物理层密钥预处理方法和介质
技术领域
本发明涉及无线通信的物理层安全领域，尤其涉及基于自适应滤波的物理层密钥预处理方法和介质。
背景技术
在无线通信中，信号以电磁波的形式通过天线发送并在各种介质中进行快速传输，考察这种无线信道的物理属性，易得到具有如下三个性质：短时不变性、时变性、空变性。信号从发送端到接收端产生多径效应，相同的信号会经历不同的路径、不同的时间最终到达接受端，短时不变性保证信号在一个相干时间内，信号不会产生任何变化，保证信号在一个相干时间内经历相同的多径效应，从而获得相同的信道特征值。时变性保证信号在超出一个相干时间后，信号所经历的多径效应出现剧烈变化，从而保证物理层密钥的生成具有丰富的随机性。空变性保证通信双方的信道特征是完全独特的，从而保证物理层安全技术理论上的绝对安全。合法通信双方之间的距离如果超过电磁波的半波长，则从同一主节点发送来的信道探测序列在接收端会表现出截然不同的信道特征。电磁波的半波长是一个非常小的值，因此节点之间的通信如果被非法节点窃听，那么这个非法窃听节点就必须非常靠近合法通信节点的任意一方，这时非法窃听节点暴露的风险也非常高。
基于有密钥生成的物理层安全方案主要包括：信号特征预处理，信号特征量化，初始密钥协商，隐私放大。信号特征预处理技术是有密钥生成的物理层安全方案中不可或缺的重要组成部分。它直接影响了物理层密钥生成算法的密钥一致性。自适应滤波技术是一种较好的滤波方法，其理论基础是维纳滤波和卡尔曼滤波，维纳滤波器参数是固定的，卡尔曼滤波器参数是时变的，然而只有在信号和噪声的统计特性是先验已知的前提下，才能获取最佳滤波，然而在实际工程中，信号和噪声的统计特性通常不是先验的，这种情况下，自适应滤波技术可以获得极佳的滤波性能，是一种智能的滤波技术。
传统物理层密钥生成算法通常是对合法通信双方进行信道估计，并对信道特征值进行特定的量化算法获得密钥。这种方法在信噪比较高的条件下可以满足需要，然而在低信噪比的条件下，噪声对物理层密钥生成算法影响较大。
发明内容
针对现有密钥生成的物理层安全方案的不足，提供一种基于自适应滤波的物理层密钥预处理方法和介质，在密钥生成速率持平的情况下，降低密钥不一致率。
技术方案：一种基于自适应滤波的物理层密钥预处理方法，包括：
步骤1：以A为主节点向从节点B发送信道探测序列，节点B接收到节点A发送来的信道探测序列后立刻回发相同的信道探测序列，并在本地进行信道估计，节点A接收到节点B发送来的信道探测序列后也在本地进行信道估计；
步骤2：合法通信双方分别在本地进行自适应滤波滤除噪声；
步骤3：将自适应滤波后的信道特征值分别在本地进行物理层密钥生成算法。
进一步地，步骤1中，互发信道探测序列获得信道特征值，节点A端的信道特征采用如下公式计算：
Hab(t)×Aab(t)+Nab(t)＝Yab(t) (1)
Figure BDA0003442065140000021
Figure BDA0003442065140000022
其中，Hab(t)为信道增益，Aab(t)是节点A向节点B发送的信道探测序列，Nab(t)是无线信道中的加性环境噪声，Yab(t)是节点B接收的带噪信号；式(2)为式(1)同时除以信道探测序列Aab(t)的结果；式(3)为经过信道估计后的信道特征
Figure BDA0003442065140000023
Zab(t)为经过处理后的信道噪声。可以看到真实的信道特征与信道估计得信道特征之间间隔了一个加性环境噪声，因此自适应滤波去除噪声是有必要的。
进一步地，步骤1中，通信双方的信道估计包括信道冲激响应、信道频率响应、信号相位。
进一步地，步骤2中，自适应滤波预处理包括最小均方LMS自适应滤波器、递推最小二乘RLS滤波器、格型滤波器和无限冲激响应IIR滤波器。
进一步地，自适应滤波噪声消除包括：
步骤2.1：设置一个初始值wm(0)；
步骤2.2：计算自适应FIR滤波器的输出：
Figure BDA0003442065140000024
其中M为滤波器的阶数，wm(n)为滤波器权重，r(n-m)为输入信号矢量；
步骤2.3：估计当前时刻n的误差e(n)：
Figure BDA0003442065140000031
步骤2.4：梯度下降法更新滤波器权重wm(n)：
wm(n+1)＝wm(n)+2μe(n)r(n-m) 0≤m≤M
步骤2.5：校验误差值是否达到预设标准，如果满足标准，则停止迭代；如果不满足则n→n+1，到下一时刻，回到步骤2.1中重新执行流程，直到满足标准为止。
进一步地，步骤3中，物理层密钥生成算法包括：密钥生成算法、密钥协商算法、隐私放大、一致性认证。
进一步地，密钥生成算法包括单门限量化、双门限量化、ASBG自适应密钥比特生成算法、LCA量化算法、CQA量化算法、CQG量化算法、MAQ量化算法、矢量量化。
进一步地，密钥协商算法包括二分法协商、Cascade协议协商、Winnow协议协商、LDPC码协商。
具体实施中存在计算机可读存储介质，包括供一个或多个处理器执行的一个或多个程序，一个或多个程序包括用于执行如上述任一方法的指令。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著的优点：自适应滤波保证在低信噪比且信噪比动态变化的条件下能大致恢复出原始信道特征值，在密钥生成速率(KGR)不变且低信噪比的条件下，极大降低了密钥不一致率(KDR)；通过在预处理阶段加入自适应滤波技术，在密钥生成速率几乎不变的前提下，有效的降低了密钥不一致率，尤其是在多比特量化的情况下更为明显，且在信噪比动态变化或者出现脉冲噪声的情况下，密钥不一致率依然维持在一个相对较低的水平。
附图说明
图1为本发明中方法框架流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
基于自适应滤波技术的物理层密钥预处理方法，流程如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：合法通信节点Alice和Bob根据TDD通信模式互发信道探测序列从而获得需要的信道特征值。以Alice端为例，信道特征可以用如下公式计算：
Hab(t)×Aab(t)+Nab(t)＝Yab(t) (1)
Figure BDA0003442065140000041
Figure BDA0003442065140000042
其中，式(1)可以看作是信号在无线信道中的传输过程，Hab(t)为信道增益，Aab(t)是Alice向Bob发送的信道探测序列，Nab(t)是无线信道中的加性环境噪声，Yab(t)是Bob接收的带噪信号。式(2)为式(1)同时除以信道探测序列Aab(t)的结果。真实的信道特征应该为Hab(t)，式(3)为经过信道估计后的信道特征
Figure BDA0003442065140000046
可以看到真实的信道特征与信道估计得信道特征之间间隔了一个加性环境噪声，因此自适应滤波去除噪声是有必要的。
步骤2：对信道特征进行基于最小均方误差准则(LMS)的自适应噪声消除。自适应噪声消除步骤包括：
步骤2.1：设置一个初始值：wm(0)；
步骤2.2：计算自适应FIR滤波器的输出：
Figure BDA0003442065140000043
其中M为滤波器的阶数，wm(n)为滤波器权重，r(n-m)为输入信号矢量。
步骤2.3：估计当前时刻n的误差e(n)：
Figure BDA0003442065140000044
步骤2.4：梯度下降法更新滤波器权重wm(n)：
wm(n+1)＝wm(n)+2μe(n)r(n-m) 0≤m≤M
步骤2.5：校验误差值是否达到预设标准，如果满足标准，则停止迭代。如果不满足则n→n+1，到下一时刻，回到1中重新执行流程，直到满足标准为止。
步骤3：对自适应滤波后的信道特征进行有密钥生成的物理层安全方案，其中密钥生成采用MAQ算法：
步骤3.1：根据信道特征的相关性定义量化位数和量化电平数
Figure BDA0003442065140000045
其中，mi为每个信道特征值定义的量化位数，K为量化电平数。
步骤3.2：通过计算信道估计值的累积分布函数确定量化电平的具体值。
步骤3.3：创建格雷码进行编码，以单比特量化为例，MAQ算法码本如下表所示：
Figure BDA0003442065140000051
其中，
Figure BDA0003442065140000052
令
Figure BDA0003442065140000053
d1(k)∈{0,1}为格雷码的第f1(k)个码字，令
Figure BDA0003442065140000054
d0(k)∈{0,1}为格雷码的第f0(k)个码字。
步骤3.4：发送端对信道特征进行量化区间匹配，得到发送端初始密钥，再由量化区间确定e(k)并在无线信道中进行传输，接收端接收到e(k)后，当e(k)＝1时，信道特征值编码为d1(k)，当e(k)＝0时，信道特征值编码为d0(k)。
步骤4：对密钥进行基于LDPC码的密钥协商，最后进行隐私放大和一致性认证。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明的具体实施方式中，未涉及到的说明属于本领域的公知技术，可参考公知技术加以实施。

Claims (9)

1.一种基于自适应滤波的物理层密钥预处理方法，其特征在于，包括：
步骤1：以A为主节点向从节点B发送信道探测序列，节点B接收到节点A发送来的信道探测序列后立刻回发相同的信道探测序列，并在本地进行信道估计，节点A接收到节点B发送来的信道探测序列后也在本地进行信道估计；
步骤2：合法通信双方分别在本地进行自适应滤波滤除噪声；
步骤3：将自适应滤波后的信道特征值分别在本地进行物理层密钥生成算法。
2.根据权利要求1所述的基于自适应滤波的物理层密钥预处理方法，其特征在于，所述步骤1中，互发信道探测序列获得信道特征值，节点A端的信道特征公式计算如下：
Hab(t)×Aab(t)+Nab(t)＝Yab(t) (1)
Figure FDA0003442065130000011
Figure FDA0003442065130000012
其中，Hab(t)为信道增益，Aab(t)是节点A向节点B发送的信道探测序列，Nab(t)是无线信道中的加性环境噪声，Yab(t)是节点B接收的带噪信号；式(2)为式(1)同时除以信道探测序列Aab(t)的结果；式(3)为经过信道估计后的信道特征
Figure FDA0003442065130000013
Zab(t)为经过处理后的信道噪声。
3.根据权利要求1所述的基于自适应滤波的物理层密钥预处理方法，其特征在于，所述步骤1中，通信双方的信道估计包括信道冲激响应、信道频率响应、信号相位。
4.根据权利要求1所述的基于自适应滤波的物理层密钥预处理方法，其特征在于，所述步骤2中，自适应滤波预处理包括最小均方LMS自适应滤波器、递推最小二乘RLS滤波器、格型滤波器和无限冲激响应IIR滤波器。
5.根据权利要求4所述的基于自适应滤波的物理层密钥预处理方法，其特征在于，自适应滤波噪声消除包括：
步骤2.1：设置一个初始值wm(0)；
步骤2.2：计算自适应FIR滤波器的输出：
Figure FDA0003442065130000014
其中M为滤波器的阶数，wm(n)为滤波器权重，r(n-m)为输入信号矢量；
步骤2.3：估计当前时刻n的误差e(n)：
Figure FDA0003442065130000015
其中x(n)为输入信号值，
Figure FDA0003442065130000021
为估计出的误差值。
步骤2.4：梯度下降法更新滤波器权重wm(n)：
wm(n+1)＝wm(n)+2μe(n)r(n-m) 0≤m≤M
其中，μ为步长。
步骤2.5：校验误差值是否达到预设标准，如果满足标准，则停止迭代；如果不满足则n→n+1，到下一时刻，回到步骤2.1中重新执行流程，直到满足标准为止。
6.根据权利要求1所述的基于自适应滤波的物理层密钥预处理方法，其特征在于，所述步骤3中，物理层密钥生成算法包括：密钥生成算法、密钥协商算法、隐私放大、一致性认证。
7.根据权利要求6所述的基于自适应滤波的物理层密钥预处理方法，其特征在于，所述密钥生成算法包括单门限量化、双门限量化、ASBG自适应密钥比特生成算法、LCA量化算法、CQA量化算法、CQG量化算法、MAQ量化算法、矢量量化。
8.根据权利要求6所述的基于自适应滤波的物理层密钥预处理方法，其特征在于，所述密钥协商算法包括二分法协商、Cascade协议协商、Winnow协议协商、LDPC码协商。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括供一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1-8任一所述方法的指令。
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