CN114448622A - 一种适用于低信噪比环境的物理层密钥生成方法 - Google Patents

一种适用于低信噪比环境的物理层密钥生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于无线通信安全技术领域，涉及一种适用于低信噪比环境的物理层密钥生成方法，所述方法包括通信双方在相干时间内互发导频信号并分别进行信道估计；通信双方依据同样的规则对信道频率响应交织；通信双方分别计算己方交织后信道频率响应星座图中连续三点构成夹角的角度并量化成初始密钥；一方对己方初始密钥做信道编码并将校验位和校验矩阵传递给另一方；另一方将接收到的校验位附于己方初始密钥与一方校验位相同的索引位置，并做一样的译码方案得到信息位；采用哈希函数对通信双方经过协商的密钥隐私增强。本发明利用信道频率响应星座图任意三点所成角度做为量化特征值，使密钥不一致率大幅降低。

Description

一种适用于低信噪比环境的物理层密钥生成方法
技术领域
本发明属于无线通信安全技术领域，涉及无线通信中无线信道物理层密钥生成技术，具体涉及一种适用于低信噪比环境的物理层密钥生成方法。
背景技术
随着移动通信网络的发展，越来越多的用户依赖手机进行一系列金融和信息相关的活动，移动通信系统成为日常生活中不可或缺的一部分，因此移动通信系统的安全性越来越受到人们的关注。现有的移动通信网络都是通过高层下发密钥对物理层信息加密，其开销较大且分发密钥的每个过程都有被窃取的风险。除此外，物联网设备的安全问题也备受关注，特别是能量有限的物联网设备急需一种低功耗的加密技术。
作为现有加密方式的补充，物理层密钥生成技术越来越受到关注，无线信道固有的互易性和空间去相关性使得通过无线信道的特征提取密钥成为现实。物理层密钥生成技术有四个步骤：信道估计、量化、密钥协商和隐私增强，量化和密钥协商是其非常关键的组成部分。
有学者提出依据波峰与波谷将接收信号强度划分为若干部分，然后在每一部分采用多轮动态划分阈值的方法量化。也有学者提出根据接收信号包络线的平均时间划分双门限阈值，该方法没有详细阐释在工程应用时如何获取阈值且理论复杂。上述量化方案都是采取阈值量化，有学者在物联网的物理层密钥生成技术中提出差分量化，该方法无需阈值，只需要比较前后特征点的值即可；某文献在差分量化的基础上报道了另一种无阈值的量化方法，该方法通过比较信道频率响应幅值的当前特征点与前后一个特征点的值量化出两比特密钥。其理论简单计算量小，但是并没有表现出优良的密钥不一致率。也有文献在量化环节将信道频率响应切块并挑选出每块中载波幅度较大的若干个子载波，依据这些子载波的索引生成密钥，该方法的性能高度依赖于切块的数目和位置，难以需求最优状态。除了上述依据信号本身的量化方法、还有学者提出将接收的信号做奇异值分解，并将分解后的结果量化，这种方法从数学的角度考虑如何降低密钥不一致率。上述文献在量化环节中只分析了0dB以后的密钥不一致率等性能指标，并未考虑较低信噪比的通信场景。
1993年，Gilles Brassard和Louis Salvail首次提出了Cascade协商算法，但其交互次数较多，密钥泄露率较高；2003年，以汉明码为基础的Winnow协商算法在量子密钥协商领域被提出，但其删除了部分用于交互的密钥位，密钥利用率较低。之后，众多学者以信道编码技术为基础提出各种密钥协商方法。有学者提出在光纤信道中使用一次LDPC协商，如果一次LDPC纠错后无法保证两个合法Bob的密钥一致即抛弃。这种纠错方法成功率低，浪费资源且成效甚微。除了LDPC外，还有使用Polar码等信道编码的协商技术，但都是单纯地利用信道编码的纠错能力使其密钥不一致率降低，并没有使通信双方的密钥达到一致，故不具备实际应用价值。
发明内容
本发明旨在提供一种针对低信噪比无线通信场景中物理层密钥生成的方法，以降低该场景中密钥不一致率，使合法通信双方拥有相同的密钥。
本发明提供如下技术方案：
在本发明的第一方面，本发明提供了一种适用于低信噪比环境的物理层密钥生成方法，所述方法包括：
通信双方在相干时间内互相发送导频信号，并分别进行信道估计得到信道频率响应；
通信双方根据相同的规则分别对估计出的信道频率响应交织；
通信双方分别计算出己方交织后的信道频率响应星座图中任意三个特征点所构成夹角的角度，并量化成初始密钥；
通信一方根据校验矩阵对己方初始密钥进行信道编码后，得到校验位；将所述校验位和所述校验矩阵都传递给通信另一方；
通信另一方将接收到的校验位附于己方初始密钥与通信一方校验位相同的索引位置，并采用相同的译码方案得到密钥信息位；
通信双方分别采用哈希函数对经过协商的密钥隐私增强，并生成密钥序列。
在本发明的第二方面，本发明还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明的第一方面所述物理层密钥生成方法的步骤。
在本发明的第三方面，本发明还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如本发明的第一方面所述物理层密钥生成方法的步骤。
本发明的优点及有益效果如下
本发明利用信道频率响应星座图任意三点所成角度做为量化特征值，使密钥不一致率大幅降低。本发明在信噪比为-10dB时具有和多种现有量化方案0dB时同等程度的密钥不一致率，故其适用于低信噪比的通信场景。经过协商后，当信噪比大于8dB后可消除密钥不一致率使合法通信双方获得一致的密钥。本实施例中采用的LDPC协商方案比其他基于LDPC的协商方案的交互次数更少，且只交互一次。
附图说明
图1为本发明实施例物理层密钥生成场景图；
图2为本发明实施例中物理层密钥生成方法流程图；
图3为本发明交织前后信道频率响应星座图；
图4为本发明量化方案示意图；
图5为本发明量化、协商与其他量化方法密钥不一致率的比较。
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明实施例物理层密钥生成场景图，如图1所示，本发明实施例将通信双方假设为Alice和Bob，通信上方执行相同的信道探测、信道估计、信道频率响应的交织、量化、协商和隐私增强过程，最终双方对隐私增强的结果进行判断，确定出最终的物理层密钥。
图2是本发明实施例中物理层密钥生成方法流程图，如图2所示，所述方法包括：
101、通信双方在相干时间内互相发送导频信号，并分别进行信道估计得到信道频率响应；
在本发明实施例中，同样将通信双方假设为Alice和Bob，通信方Alice和Bob会在相干时间内互相发送导频信号，并分别对接收到的导频信号进行信道估计，获得对应的信道频率响应，这里以Alice为主动方进行说明，同时为方便描述，此后步骤中所述信号均为该信号经傅里叶变换后的频域结果，此外使用拉普拉斯变换和Z变换均可达到同样的效果：
步骤A1：Alice向Bob发送导频信号Sa(f)，Bob接收信号Yb(f)并信道估计为
Figure BDA0003484788540000041
具体为：
Figure BDA0003484788540000042
步骤A2：Bob在收到导频信号后的相干时间内发送导频信号Sb(f)，Alice接收信号Ya(f)并信道估计为
Figure BDA0003484788540000043
具体为：
Figure BDA0003484788540000044
102、通信双方根据相同的规则分别对估计出的信道频率响应交织；
信道交织编码是把一个较长的突发误码离散成随机误码，再用纠正随机误码的编码技术，如卷积编码技术，消除随机误码。在移动通信中多径衰落会导致数字信号传输的突发性错误。利用交织编码技术可以改善数字通信的传输能力。
在本发明实施例中，通信双方Alice和Bob将会以相同的规则对各自估计出的信道频率响应分别交织编码，其具体步骤如表1所示：
表1交织编码算法
Figure BDA0003484788540000051
其中，c∈{a,b}表示Alice或Bob。除“算法1”外，还有很多种交织方案可以采用，如：规则交织器、不规则交织器和随机交织器等。
交织完成后，本发明中信道频率响应的交织前后对比如图3所示，由图3可知，经过交织后连续缓慢变化的特征点在位置上变得离散，并且出现大量本没有的突变角度，这对提高密钥不一致率有重大意义。
103、通信双方分别计算出己方交织后的信道频率响应星座图中任意三个特征点所构成夹角的角度，并量化成初始密钥；
在本发明实施例中，将信道频率响应星座图中当前特征点与前一个特征点构成的第一向量，信道频率响应星座图中当前特征点与后一个特征点构成的第二向量；计算出第一向量与第二向量之间的夹角，即为初始密钥所对应的夹角角度，这里的当前特征点、前一特征点和后一特征点可以是信道频率响应星座图中连续的特征点，也可以是不连续的特征点，例如假设有5个特征点，本实施例可以选择第1个特征点与第3个特征点构成第一向量，第3特征点与第5特征点构成第二向量，并将第一向量和第二向量的夹角输出。
在本发明的优选实施例中，为了进一步保证密钥不一致率大幅降低，本实施例中选择连续三个特征点进行处理，也即是：
步骤C1：Alice计算信道频率响应星座图中当前特征点与前一个特征点构成的向量s1，与后一个特征点构成的向量s2；
步骤C2：Bob计算信道频率响应星座图中当前特征点与前一个特征点构成的向量s1，与后一个特征点构成的向量s2；
步骤C3：Alice和Bob通过式(3)计算这三点构成的角度θ；
Figure BDA0003484788540000061
步骤C4:根据图3中的阈值和式(4)将步骤C3的θ量化成二进制序列，分别称为初始密钥为kA和kB，其中kA表示Alice的初始密钥，kB表示Bob的初始密钥。
Figure BDA0003484788540000062
其中，c∈{a,b}表示Alice或Bob。除“式(4)”所示的量化方案外，还可以采取等概量化、双门限量化、CQA量化等。
可以理解的是，在本发明实施例中，本发明从星座图角度出发来获取对应的初始密钥，主要是考虑到两个信道估计出的频率响应的差异主要在于副值和相位，而获得副值和相位的星座图在“形体(形状)”上相差不大，而差异不大的形体拥有更多相同的特征(角度)，因此本发明采用信道频率响应星座图来生成初始密钥能够获得更高的密钥不一致率。
104、通信一方根据校验矩阵对己方初始密钥进行信道编码后，得到校验位；将所述校验位和所述校验矩阵都传递给通信另一方；
在本发明实施例中，Alice会根据校验矩阵对己方的初始密钥进行信道编码，得到校验位后会将该校验位和校验矩阵一起传递给Bob，具体的：
步骤D1：Alice选取合适的校验矩阵H；
步骤D2：Alice使用校验矩阵H将其自身的初始密钥kA进行信道编码并提取出校验位h；
步骤D3：Alice将校验矩阵H和校验位h传递给Bob。
105、通信另一方将接收到的校验位附于己方初始密钥与通信一方校验位相同的索引位置，并采用相同的译码方案得到密钥信息位；
在本发明实施例中，Bob会将接收到的校验位与其己方初始密钥进行组合，并采用与Alice信道编码过程所对应的译码过程进行解码，得到密钥信息位，具体的：
步骤E1：Bob将接收到的校验位h附于己方初始密钥与Alice校验位相同的索引位置，并构成组合序列；
步骤E2：Bob使用Alice发送的校验矩阵H对步骤E1的组合序列进行信道译码得到密钥信息位kB1；
106、通信双方分别采用哈希函数对经过协商的密钥隐私增强，并生成密钥序列。
在本发明实施例中，分别采用哈希函数分别对Alice的初始密钥kA和Bob的密钥信息位kB1进行隐私增强，生成密钥序列，可以是十六进制序列；比较隐私增强后的密钥是否一致，如一致即表示密钥生成成功，否则即抛弃。
表2生成密钥随机性报告
Figure BDA0003484788540000071
Figure BDA0003484788540000081
常通过美国国家标准与技术协会(NIST)提供的统计随机性检验套件完成密钥的随机性测试，每项测试的结果均高于0.01时表明该密钥随机性合格。由表2可知，本发明所提出的物理层密钥生成方法在密钥随机性方面合格，具有实用价值。
本发明一实施例所描述的电子设备，该电子设备可以包括：处理器(processor)、通信接口(Communications Interface)、存储器(memory)和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信。处理器可以调用存储器中的逻辑指令，以执行如下方法：通信双方在相干时间内互相发送导频信号，并分别进行信道估计得到信道频率响应；通信双方根据相同的规则分别对估计出的信道频率响应交织；通信双方分别计算出己方交织后的信道频率响应星座图中任意三个特征点所构成夹角的角度，并量化成初始密钥；通信一方根据校验矩阵对己方初始密钥进行信道编码后，得到校验位；将所述校验位和所述校验矩阵都传递给通信另一方；通信另一方将接收到的校验位附于己方初始密钥与通信一方校验位相同的索引位置，并采用相同的译码方案得到密钥信息位；通信双方分别采用哈希函数对经过协商的密钥隐私增强，并生成密钥序列。
此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本发明实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：通信双方在相干时间内互相发送导频信号，并分别进行信道估计得到信道频率响应；通信双方根据相同的规则分别对估计出的信道频率响应交织；通信双方分别计算出己方交织后的信道频率响应星座图中任意三个特征点所构成夹角的角度，并量化成初始密钥；通信一方根据校验矩阵对己方初始密钥进行信道编码后，得到校验位；将所述校验位和所述校验矩阵都传递给通信另一方；通信另一方将接收到的校验位附于己方初始密钥与通信一方校验位相同的索引位置，并采用相同的译码方案得到密钥信息位；通信双方分别采用哈希函数对经过协商的密钥隐私增强，并生成密钥序列。
本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储服务器指令，该计算机指令使计算机执行上述各实施例提供的方法，例如包括：通信双方在相干时间内互相发送导频信号，并分别进行信道估计得到信道频率响应；通信双方根据相同的规则分别对估计出的信道频率响应交织；通信双方分别计算出己方交织后的信道频率响应星座图中任意三个特征点所构成夹角的角度，并量化成初始密钥；通信一方根据校验矩阵对己方初始密钥进行信道编码后，得到校验位；将所述校验位和所述校验矩阵都传递给通信另一方；通信另一方将接收到的校验位附于己方初始密钥与通信一方校验位相同的索引位置，并采用相同的译码方案得到密钥信息位；通信双方分别采用哈希函数对经过协商的密钥隐私增强，并生成密钥序列。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种适用于低信噪比环境的物理层密钥生成方法，其特征在于，所述方法包括：
通信双方在相干时间内互相发送导频信号，并分别进行信道估计得到信道频率响应；
通信双方根据相同的规则分别对估计出的信道频率响应交织；
通信双方分别计算出己方交织后的信道频率响应星座图中任意三个特征点所构成夹角的角度，并量化成初始密钥；
通信一方根据校验矩阵对己方初始密钥进行信道编码后，得到校验位；将所述校验位和所述校验矩阵都传递给通信另一方；
通信另一方将接收到的校验位附于己方初始密钥与通信一方校验位相同的索引位置，并采用相同的译码方案得到密钥信息位；
通信双方分别采用哈希函数对经过协商的密钥隐私增强，并生成密钥序列。
2.根据权利要求1所述的一种适用于低信噪比环境的物理层密钥生成方法，其特征在于，所述通信双方在相干时间内互相发送导频信号，并分别进行信道估计得到信道频率响应包括通信一方向通信另一方发送导频信号，通信另一方接收导频信号并进行信道估计，通信另一方在接收到导频信号后的相干时间内，向通信一方发送导频信号，通信一方接收导频信号并进行信道估计。
3.根据权利要求1所述的一种适用于低信噪比环境的物理层密钥生成方法，其特征在于，通信双方所采用的交织规则包括规则交织器、不规则交织器和随机交织器。
4.根据权利要求1所述的一种适用于低信噪比环境的物理层密钥生成方法，其特征在于，所述己方交织后的信道频率响应星座图中任意三个特征点所构成夹角的角度包括信道频率响应星座图中当前特征点与前一个特征点构成的第一向量，信道频率响应星座图中当前特征点与后一个特征点构成的第二向量；计算出第一向量与第二向量之间的夹角，即为初始密钥所对应的夹角角度。
5.根据权利要求1所述的一种适用于低信噪比环境的物理层密钥生成方法，其特征在于，所采用的量化方式包括等概量化、双门限量化、CQA量化。
6.根据权利要求1所述的一种适用于低信噪比环境的物理层密钥生成方法，其特征在于，所述通信另一方将接收到的校验位附于己方初始密钥与通信一方校验位相同的索引位置，并采用相同的译码方案得到密钥信息位包括通信另一方将接收到的校验位附于己方初始密钥与通信一方校验位相同的索引位置，并构成组合序列；通信另一方使用接收到的校验矩阵对所述组合序列进行信道译码得到密钥信息位。
7.根据权利要求1所述的一种适用于低信噪比环境的物理层密钥生成方法，其特征在于，所述通信双方分别采用哈希函数对经过协商的密钥隐私增强包括采用哈希函数分别对通信一方的初始密钥和通信另一方的密钥信息位进行隐私增强，生成密钥序列；比较隐私增强后的密钥是否一致，如一致即表示密钥生成成功，否则即抛弃。
8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述物理层密钥生成方法的步骤。
9.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述物理层密钥生成方法的步骤。
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