CN116782209A - 一种无线网络物理层密钥生成方法、系统及通信方法 - Google Patents

一种无线网络物理层密钥生成方法、系统及通信方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116782209A
CN116782209A CN202310262194.1A CN202310262194A CN116782209A CN 116782209 A CN116782209 A CN 116782209A CN 202310262194 A CN202310262194 A CN 202310262194A CN 116782209 A CN116782209 A CN 116782209A
Authority
CN
China
Prior art keywords
channel
physical layer
state information
target communication
parties
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310262194.1A
Other languages
English (en)
Inventor
邹国学
王妮娜
吴思凡
田雨
赵宏宁
王园园
田霖
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Computing Technology of CAS
Original Assignee
Institute of Computing Technology of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Computing Technology of CAS filed Critical Institute of Computing Technology of CAS
Priority to CN202310262194.1A priority Critical patent/CN116782209A/zh
Publication of CN116782209A publication Critical patent/CN116782209A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W12/00—Security arrangements; Authentication; Protecting privacy or anonymity
    • H04W12/04—Key management, e.g. using generic bootstrapping architecture [GBA]
    • H04W12/041—Key generation or derivation
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L25/00—Baseband systems
    • H04L25/02—Details ; arrangements for supplying electrical power along data transmission lines
    • H04L25/0202—Channel estimation
    • H04L25/024—Channel estimation channel estimation algorithms
    • H04L25/0242—Channel estimation channel estimation algorithms using matrix methods
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0861—Generation of secret information including derivation or calculation of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0875—Generation of secret information including derivation or calculation of cryptographic keys or passwords based on channel impulse response [CIR]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Computer Security & Cryptography (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

本发明提供一种无线网络物理层密钥生成方法，所述方法包括如下步骤：S1、获取目标通信双方之间无线信道的状态信息，所述无线信道为多径信道，所述状态信息至少包括信道的多普勒偏移；S2、以步骤S1中获取的状态信息作为随机源生成物理层密钥。本发明提出的方法在低信噪比环境下通信双方进行信道探测时能够获取到相同的信道的多普勒偏移，并基于其生成一致的物理层密钥，能够节省物理层密钥生成过程中密钥协商和隐私放大过程的开销；采用了信道的多普勒偏移作为随机源生成物理层密钥，该随机源具备对抗高移动性的特性，能够适用于高移动性的场景。

Description

一种无线网络物理层密钥生成方法、系统及通信方法
技术领域
本发明涉及无线网络通信安全技术领域，具体来说，涉及无线网络通信安全技术领域中的物理层密钥生成技术，更具体地说，涉及一种无线网络物理层密钥生成方法、系统及通信方法。
背景技术
目前，随着物联网、边缘网络的迅速发展，无线网络所承载的信息量和丰富度不断增加。与此同时，用户对信息内容的保密性需求和安全性需求也不断增加，使得无线网络传输信息的保密性和安全性有了新的挑战。
在传统的无线通信安全方案中，主要通过加密解密技术和通信协议实现无线网络的安全通信，其中，加密解密技术由加密机制和算法组成，其原理是将明文数据通过密钥加密为不能被窃听者直接解读的密文数据；通信协议则主要是通过对用户进行身份验证以拒绝非法用户的访问。
在加密解密技术领域中，常规的加密解密处理方法往往需要第三方承担密钥生成、管理和分发的角色。但是第三方的存在导致常规的加密解密处理方法存在两方面的缺陷，一方面是：保密性在一定程度上取决于第三方的可靠程度，若第三方的可靠性低，则保密性差；若第三方的可靠性高，则保密性好；另一方面是：密钥的管理、分发都需要额外的流程，这给追求低能耗和低复杂性的无线网络带来了新负担。因此，常规的加密解密方法无法满足无线网络传输信息的保密性和安全性要求。
为了满足无线网络传输信息的保密性和安全性要求，研究人员提出可以将从无线信道中探测得到的信道信息作为随机源生成物理层密钥，并以生成的物理层密钥对数据进行加密和解密。比如，参考文献[1]、参考文献[2]和参考文献[3]提出利用从无线信道中获取到的接收信号强度(Received Signal Strength，RSS)作为随机源，参考文献[4]、参考文献[5]和参考文献[6]提出利用从无线信道中获取到的信道脉冲响应(Channel ImpulseResponse，CIR)作为随机源，参考文献[7]提出利用从无线信道中获取到的波束到达角度(Angle of Arrival，AoA)作为随机源。与常规的加密解密处理方法不同的是，物理层密钥生成方法中生成物理层密钥的随机源从无线信道的信道信息中获取，且由于无线信道具有短时互易性，其可以使通信双方分别从无线信道中获得一致的随机源生成物理层密钥，用来对数据进行加密和解密。除此之外，无线信道的时变性还保证了通信双方可以根据不断变化的信道信息，生成随机的物理层密钥，在理论上可以实现数据传输的“一次一密”，保证无线网络传输信息的保密性和安全性。相比于常规的加密解密处理方法，物理层密钥生成方法不需要第三方承担密钥生成、管理和分发的角色，大大减少了因为密钥管理和分发带来的损耗；且物理层密钥生成方法从具有时变性的无线信道中获取信道信息生成随机的物理层密钥，能够满足无线网络传输信息的保密性和安全性要求。
虽然现有的物理层密钥生成方法在一定程度上能够满足无线网络传输信息的保密性和安全性要求，但是仍存在两方面的问题，一方面是：低信噪比环境下通信双方生成的物理层密钥一致性较低，这是因为无线信道中存在干扰，通信双方从无线信道中探测获得的信道信息作为随机源生成的物理层密钥之间相关性降低，导致后续密钥协商和隐私放大过程需要更多的能耗；另一方面是：现有的物理层密钥生成方法无法直接应用至高移动性场景(通信双方处在高速运动的状态下)，这是因为现有的物理层密钥生成方法中主要选择时频域的信道信息作为随机源生成物理层密钥，而时频域的信道信息不具备对抗高移动性的特性。
参考文献：
[1]Peng T,Dai W,Win M Z.Efficient and Robust Physical Layer KeyGeneration[C]MILCOM 2019-2019IEEE Military Communications Conference(MILCOM),2019:1-6.
[2]Yang M,Guo D,et al.Physical Layer Security With Threshold-BasedMultiuser Scheduling in Multi-Antenna Wireless Networks.[J].IEEE Transactionson Communications,2016,64(12):5189-5202.
[3]Ali S T,Sivaraman V,Ostry D.Eliminating Reconciliation Cost inSecret Key Generation for Body-Worn Health Monitoring Devices[J].IEEETransactions on Mobile Computing,2014,13(12):2763-2776.
[4]Zeng K.Physical layer Key generation in wirelessnetworks.challenges and opportunities[J].IEEE Communications Magazine,2015,53(6):33-39.
[5]Primak S,Kang L,Wang X.Secret Key Generation Using PhysicalChannels with Imperfect CSI[C].2014IEEE 80th Vehicular Technology Conference(VTC2014-Fall),2014:1-5.
[6]Liu H,Yang W,Jie Y,et al.Fast and practical secret key extractionby exploiting channel response[C].2013Proceedings IEEE INFOCOM,
2013:3048-3056.
[7]Jiao L,Tang J,Zeng K.Physical Layer Key Generation Using VirtualAoA and AoD of mmWave Massive MIMO Channel[C].2018IEEE Conference onCommunications and Network Security(CNS),2018:1-9.
发明内容
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种无线网络物理层密钥生成方法、一种无线网络物理层密钥生成系统和一种基于物理层密钥的无线网络通信方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
根据本发明的第一方面，提供一种无线网络物理层密钥生成方法，所述方法包括如下步骤：S1、获取目标通信双方之间无线信道的状态信息，所述无线信道为多径信道，所述状态信息至少包括信道的多普勒偏移；S2、以步骤S1中获取的状态信息作为随机源生成物理层密钥。
在本发明的一些实施例中，所述状态信息还包括信道的时延、和/或信道增益。
在本发明的一些实施例中，所述步骤S1包括：S11、按照如下方式设置时延分辨率和多普勒偏移分辨率：
其中，Δτ表示时延分辨率，Δf表示子载波间隔，Δf＝1/T，M表示载波数量，Δv表示多普勒偏移分辨率，N表示符号数量，T表示传输单个符号的时间；S12、基于步骤S11设置的时延分辨率和多普勒偏移分辨率，目标通信双方在相干时间内互相发送信号进行信道估计以获取无线信道的状态信息。
在本发明的一些实施例中，所述步骤S12包括：S121、目标通信双方在相干时间内互相发送信号并对其各自接收到的信号进行处理，以获取目标通信双方分别作为接收方时所对应的无线信道的时延多普勒信道矩阵；S122、对步骤S121获得的目标通信双方分别作为接收方时所对应的无线信道的时延多普勒信道矩阵进行处理，以获取目标通信双方分别作为接收方时所对应的无线信道的状态信息集合，其中，每一状态信息集合均包括多个元素，每个元素对应于一个信道路径的状态信息。
在本发明的一些实施例中，在所述步骤S121中，采用如下方式对目标通信双方中任一方作为接收方时所接收到的信号进行处理：
Y＝H′X+Q
其中，表示接收方所对应的无线信道的时延多普勒信道矩阵，Y表示接收方收到的信号，X-1表示信号X的逆矩阵，X表示发送方发送的信号，/>表示矩阵DN的共轭转置矩阵/>的逆矩阵，DN表示大小为N的离散傅里叶矩阵，/>表示矩阵DM逆矩阵，DM表示大小为M的离散傅里叶矩阵，H′表示发送方至接收方的信道矩阵，Q表示独立同分布的复高斯噪声。
在本发明的一些实施例中，在所述步骤S122中，采用如下方式对目标通信双方中任一方作为接收方时所对应的无线信道的时延多普勒信道矩阵进行处理：
其中，S表示接收方对应的无线信道的状态信息集合，表示接收方所对应的无线信道的时延多普勒信道矩阵，peak(·)表示峰函数。
在本发明的一些实施例中，所述步骤S2包括：S21、对步骤S122获得的目标通信双方分别作为接收方时所对应的无线信道的状态信息集合中的元素进行排序，使两个状态信息集合中的元素按照相同的信道路径顺序进行排序；S22、基于步骤S21处理后的信息，分别以目标通信双方各自对应的的状态信息集合作为自身随机源生成其对应的物理层密钥，其中，物理层密钥包括多个信道路径的密钥，且采用状态信息集合中信道路径对应的元素生成该信道路径的密钥。
在本发明的一些实施例中，在所述步骤S22中，按照如下方式生成物理层密钥：
numi＝F+vi-1
其中，numi表示第i个信道路径的物理层密钥；vi表示状态信息集合中第i个信道路径对应的元素中的多普勒偏移；状态信息集合不包括信道时延时，F＝0；状态信息集合包括信道时延时，F＝(τi-1)M，τi表示状态信息集合中第i个信道路径对应的元素中的时延，M表示载波数量。
根据本发明的第二方面，提供一种无线网络物理层密钥生成系统，所述系统包括：信道探测模块，用于获取目标通信双方之间无线信道的状态信息，所述无线信道为多径信道，所述状态信息至少包括信道的多普勒偏移；密钥生成模块，以信道探测模块中获取的状态信息作为随机源生成物理层密钥。
根据本发明的第三方面，提供一种基于物理层密钥的无线网络通信方法，所述方法包括如下步骤：T1、目标通信双方基于本发明第一方面所述的方法生成物理层密钥；T2、目标通信双方中的发送方基于步骤T1生成的物理层密钥加密数据后传输给目标通信双方中的接收方；T3、目标通信双方中的接收方基于步骤T1生成的物理层密钥对其接收到的加密数据进行解密。
与现有技术相比，本发明的优点在于：在低信噪比环境下通信双方进行信道探测时能够获取到相同的信道的多普勒偏移，并基于其生成一致的物理层密钥，能够节省物理层密钥生成过程中密钥协商和隐私放大过程的开销；采用了信道的多普勒偏移作为随机源生成物理层密钥，该随机源具备对抗高移动性的特性，能够适用于高移动性的场景。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1为根据本发明实施例的无线网络物理层密钥生成方法流程示意图；
图2为根据本发明实施例的密钥生成速率仿真结果示意图；
图3为根据本发明实施例的密钥不一致比例仿真结果示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
首先介绍一下本发明的技术思想与思路。正如背景技术所提到的，虽然现有的物理层密钥生成方法在一定程度上能够满足无线网络传输信息的保密性和安全性要求，但是仍存在两方面的问题，一方面是：低信噪比环境下通信双方生成的物理层密钥一致性较低，这是因为无线信道中存在干扰，通信双方从无线信道中探测获得的信道信息作为随机源生成的物理层密钥之间相关性降低，导致后续密钥协商和隐私放大过程需要更多的能耗；另一方面是：现有的物理层密钥生成方法无法直接应用至高移动性场景。为了解决上述问题，发明人通过研究发现，通信双方可以进行信道探测以从多径信道中获取信道的多普勒偏移，并将信道的多普勒偏移作为随机源生成物理层密钥，此时在低信噪比环境下通信双方生成的物理层密钥一致性高，且适用于高移动性场景。物理层密钥一致性高是因为多径信道具有稀疏性，稀疏性是指多径信道中只有部分信道能够传输信号且该部分信道的能量高于其它不能传输信号的信道的能量，其不易受到噪声的干扰，根据此特性，在低信噪比环境下通信双方进行信道探测时能够获取到相同的信道的多普勒偏移，并基于其生成一致的物理层密钥。适用于高移动性场景是因为采用了信道的多普勒偏移作为随机源生成物理层密钥，而信道的多普勒偏移具备对抗高移动性的特性。基于上述研究，本发明提出一种无线网络物理层密钥生成方法，通信双方通过信道探测从多径信道中获取信道的多普勒偏移，并将获取到的信道的多普勒偏移作为随机源生成物理层密钥。
为了更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。
根据本发明的一个实施例，如图1所示，提供一种无线网络物理层密钥生成方法，所述方法包括步骤S1-S2，以下分别对步骤S1和步骤S2作详细的说明。
在步骤S1中，获取目标通信双方之间无线信道的状态信息，所述无线信道为多径信道，所述状态信息至少包括信道的多普勒偏移。根据本发明的一个实施例，所述状态信息还包括信道的时延、和/或信道增益。需要说明的是，状态信息存在以下四种情况：状态信息只包括信道的多普勒偏移、或者状态信息包括信道的多普勒偏移和时延、或者状态信息包括信道的多普勒偏移和信道增益、或者状态信息包括信道的多普勒偏移、时延和信道增益。为了简化描述，在本发明的实施例中均以状态信息包括信道的多普勒偏移、时延和信道增益为例展开说明，其他情况与此类似，就不重复说明。根据本发明的一个实施例，在所述步骤S1中，通过步骤S11和S12获取目标通信双方之间无线信道的状态信息。其中，在步骤S11中，按照如下方式设置时延分辨率和多普勒偏移分辨率：
其中，Δτ表示时延分辨率，Δf表示子载波间隔，Δf＝1/T，M表示载波数量，Δv表示多普勒偏移分辨率，N表示符号数量，T表示传输单个符号的时间。
在步骤S12中，基于步骤S11设置的时延分辨率和多普勒偏移分辨率，目标通信双方在相干时间内互相发送信号进行信道估计以获取无线信道的状态信息。根据本发明的一个实施例，所述步骤S12包括步骤S121和步骤S122。其中，在步骤S121中，目标通信双方在相干时间内互相发送信号并对其各自接收到的信号进行处理，以获取目标通信双方分别作为接收方时所对应的无线信道的时延多普勒信道矩阵。根据本发明的一个实施例，在所述步骤S121中，采用如下方式对目标通信双方中任一方作为接收方时所接收到的信号进行处理：
Y＝H′X+Q
其中，表示接收方所对应的无线信道的时延多普勒信道矩阵，Y表示接收方收到的信号，X-1表示信号X的逆矩阵，X表示发送方发送的信号，/>表示矩阵DN的共轭转置矩阵/>的逆矩阵，DN表示大小为N的离散傅里叶矩阵，/>表示矩阵DM逆矩阵，DM表示大小为M的离散傅里叶矩阵，H′表示发送方至接收方的信道矩阵，Q表示独立同分布的复高斯噪声。
在步骤S122中，对步骤S121获得的目标通信双方分别作为接收方时所对应的无线信道的时延多普勒信道矩阵进行处理，以获取目标通信双方分别作为接收方时所对应的无线信道的状态信息集合，其中，每一状态信息集合均包括多个元素，每个元素对应于一个信道路径的状态信息。根据本发明的一个实施例，在步骤S122中，采用如下方式对目标通信双方中任一方作为接收方时所对应的无线信道的时延多普勒信道矩阵进行处理：
其中，S表示接收方对应的无线信道的状态信息集合，表示接收方所对应的无线信道的时延多普勒信道矩阵，peak(·)表示峰函数。
为了更好地理解信道估计的过程，根据本发明的一个实施例，以通信方A和通信方B在相干时间内彼此发送正交参考信号为例说明信道估计的过程，此时的信道估计过程如下：
首先，通信双方在相干时间内彼此发送正交参考信号。具体地，在某一时刻，通信方A向通信方B发送正交参考信号XAB，经过tAB时间后通信方B接收到信号YB；通信方B向通信方A发送正交参考信号XBA，经过tBA时间后通信方A接收到信号YA；此时通信双方完成一次信道双向探测，且时间差满足|tAB-tBA|≤τ，τ表示信道相干时间，其中，YB＝HABXAB+QAB，HAB表示通信方A到通信方B的信道矩阵，QAB表示独立同分布的复高斯噪声；YA＝HBAXBA+QBA，HBA表示通信方B到通信方A的信道矩阵，QBA表示独立同分布的复高斯噪声。
然后，通信双方分别对其各自接收到的信号进行处理。由于通信双方对接收信号的处理方式相同，因此仅对通信方B接收到的信号YB的处理过程进行说明，其处理过程为：先对通信方B接收到的信号YB进行处理以获取通信方B对应的无线信道的时延多普勒矩阵再对时延多普勒矩阵/>进行处理以获取通信方B对应的无线信道的状态信息集合SB。
在说明具体的处理方式之前，先介绍一下为什么要对接收到的信号进行处理以获取无线信道的时延多普勒矩阵，是因为理论上时延多普勒矩阵能够等价表示为通信双方之间的信道矩阵(实际情况中时延多普勒矩阵中存在噪声干扰)，且基于时延多普勒矩阵能够获取通信双方之间无线信道的状态信息。其中，时延多普勒矩阵与通信双方之间的信道矩阵关系为：
其中，H′表示通信双方之间的信道矩阵，Hτ,v表示时延多普勒矩阵，DM表示大小为M的离散傅里叶矩阵，表示大小为N的离散傅里叶矩阵DN的共轭转置矩阵。
时延多普勒矩阵与状态信息之间的关系为：
其中，L表示通信双方之间满足通信要求的信道路径数，αl表示第l条信道路径的信道增益，τl表示第l条信道路径的时延，vl表示第l条信道路径的多普勒偏移，δ(·)表示冲激函数。
具体地，在处理过程中，通信方B在接收到了信号YB后，采用如下方式对信号YB进行处理：
对信号YB处理得到时延多普勒矩阵后，采用如下方式对时延多普勒矩阵/>进行处理：
最后，得到状态信息集合SB：
SB＝{[τB1,vB1,αB1],[τB2,vB2,αB2],…,[τBL,vBL,αBL]}
其中，L表示通信方A和通信方B之间的满足通信要求的信道路径数，τBk表示通信方A和通信方B之间的第k条信道路径的时延，k∈{1,2,3,…,L}；vBk表示通信方A和通信方B之间的第k条信道路径的多普勒偏移，k∈{1,2,3,…,L}；αk表示通信方A和通信方B之间的第k条信道路径的信道增益。由于通信双方对接收信号的处理方式相同，同理，可以得到通信方A对应的无线信道的状态信息集合SA：
SA＝{[τA1,vA1,αA1],[τA2,νA2,αA2],…,[τAL,vAL,αAL]}
其中，τAj表示通信方A和通信方B之间的第j条信道路径的时延，j∈{1,2,3,…,L}；νAj表示通信方A和通信方B之间的第j条信道路径的多普勒偏移，j∈{1,2,3,…,L}；αAj表示通信方A和通信方B之间的第j条信道路径的信道增益。需要说明的是，状态信息集合SA和SB均包括L个元素，且这L个元素代表通信方A和通信方B之间满足通信要求的相同的L条信道路径的状态信息，但是此时的状态信息集合SA和SB中的元素没有按照相同的信道路径顺排序。需要说明的是，之所以选择在信道的相干时间内进行信道估计是因为：相干时间是信道保持恒定的最大时间差范围，即信道在相干时间内的状态不变。
在步骤S2中，以步骤S1中获取的状态信息作为随机源生成物理层密钥。根据本发明的一个实施例，在所述步骤S2中，通过步骤S21和步骤S22来以步骤S1中获取的状态信息作为随机源生成物理层密钥。其中，在步骤S21中，对步骤S122获得的目标通信双方分别作为接收方时所对应的无线信道的状态信息集合中的元素进行排序，使两个状态信息集合中的元素按照相同的信道路径顺序进行排序。还是以通信方A和通信方B在相干时间内彼此发送正交参考信号为例，根据本发明的一个示例，可以基于每个元素中信道增益的值，按照信道增益从小到大的顺序对状态信息集合中SA和SB的元素进行排序，排序结果如下：
S′A＝{[τA′1,vA′1,αA′1],[τA′2,vA′2,αA′2],…,[τA′L,νA′L,αA′L]}
S′B＝{[τB′1,νB′1,αB′1],[τB′2,vB′2,αB′2],…,[τB′L,vB′L,αB′L]}
其中，S′A＝S′B，且τA′n＝τB′n，vA′n＝νB′n，n∈{1,2,3,…,L}；αA′n>αA′m，αB′n>αB′m，n>m，m∈{1,2,3,…,L}。对状态信息集合SA和SB的中元素进行排序后，状态信息集合SA和SB中的元素按照相同的信道路径顺序进行排序，此时，状态信息集合SA中的第一个元素与状态信息集合SB中的第一个元素相等，即τA′1＝τB′1，vA′1＝vB′1，αA′1＝αB′1；状态信息集合SA中的第二个元素与状态信息集合SB中的第二个元素相等，即τA′2＝τB′2，vA′2＝vB′2，αA′2＝αB′2；其他元素同理，在此不作过多说明。由此可知，排序后的状态信息集合SA和SB的中元素一一对应，且两个集合中相同位置的元素对应于同一个信道路径的状态信息，基于此，通信双方以状态信息集合中的元素作为随机源生成该元素对应的信道路径的物理层密钥时，能够得到一致的物理层密钥。
在步骤S22中，基于步骤S21处理后的信息，分别以目标通信双方各自对应的的状态信息集合作为自身随机源生成其对应的物理层密钥，其中，物理层密钥包括多个信道路径的密钥，且采用状态信息集合中信道路径对应的元素生成该信道路径的密钥。根据本发明的一个实施例，在步骤S22中，采用如下方式生成物理层密钥：
numi＝F+vi-1
其中，numi表示第i个信道路径的物理层密钥；vi表示状态信息集合中第i个信道路径对应的元素中的多普勒偏移；状态信息集合不包括信道时延时，F＝0；状态信息集合包括信道时延时，F＝(τi-1)M，τi表示状态信息集合中第i个信道路径对应的元素中的时延，M表示载波数量。需要说明的是，一个信道路径的状态信息作为随机源生成其自身对应的物理层密钥，根据本发明的一个示例，当某个信道路径对应的时延为2，多普勒偏移为3，载波数量为8时，该信道路径对应的物理层密钥为num＝(3-1)×8+2-1＝17，进一步地，若采用二进制码表作为密钥查找表，可将该信道路径的物理层密钥转化为对应的二进制密钥序列“10001”。需要说明的是，本发明不对密钥查找表作特殊限制。
为了验证本发明所述方案的效果，发明人基于上述实施例的内容进行了仿真验证，得到仿真结果如图2和图3所示，其中，图2展示了密钥生成速率与信噪比之间的关系，由图2可知，密钥生成速率随着信噪比的提升不断升高，最后趋于稳定，这说明在信道环境比较好的情况下，采用本发明的物理层密钥生成方法能够使物理层密钥的生成速率达到理论上限(但是该理论上限受信道路径数量限制)；还说明了即使在信道环境比较差的情况下，物理层密钥的生成速率也还是比较高，比如在信噪比为-10时，物理层密钥的生成速率为2.7×105，这说明本发明的物理层密钥生成方法有较好的抗噪性能，在信道环境比较差的情况下也能保持较高标准的物理层密钥生成速率；图3展示了不同信道路径数量下密钥不一致性比例和信噪比之间的关系，由图3可知，在不同的信道路径数量下，密钥不一致性比例均随着信噪比的提升而不断降低，且即使是在信噪比环境较差的情况下，物理层密钥不一致性比例也保持在较低的水平，这也说明了本发明的物理层密钥生成方法有较好的抗噪性能，不易受到噪声的干扰。
本发明的有益效果在于：在低信噪比环境下通信双方进行信道探测时能够获取到相同的信道的多普勒偏移，并基于其生成一致的物理层密钥，能够节省物理层密钥生成过程中密钥协商和隐私放大过程的开销；采用了信道的多普勒偏移作为随机源生成物理层密钥，该随机源具备对抗高移动性的特性，能够适用于高移动性的场景。
需要说明的是，虽然上文按照特定顺序描述了各个步骤，但是并不意味着必须按照上述特定顺序来执行各个步骤，实际上，这些步骤中的一些可以并发执行，甚至改变顺序，只要能够实现所需要的功能即可。
本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。
计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以包括但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (12)

1.一种无线网络物理层密钥生成方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1、获取目标通信双方之间无线信道的状态信息，所述无线信道为多径信道，所述状态信息至少包括信道的多普勒偏移；
S2、以步骤S1中获取的状态信息作为随机源生成物理层密钥。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述状态信息还包括信道的时延、和/或信道增益。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
S11、按照如下方式设置时延分辨率和多普勒偏移分辨率：
其中，Δτ表示时延分辨率，Δf表示子载波间隔，Δf＝1/T，M表示载波数量，Δv表示多普勒偏移分辨率，N表示符号数量，T表示传输单个符号的时间；
S12、基于步骤S11设置的时延分辨率和多普勒偏移分辨率，目标通信双方在相干时间内互相发送信号进行信道估计以获取无线信道的状态信息。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S12包括：
S121、目标通信双方在相干时间内互相发送信号并对其各自接收到的信号进行处理，以获取目标通信双方分别作为接收方时所对应的无线信道的时延多普勒信道矩阵；
S122、对步骤S121获得的目标通信双方分别作为接收方时所对应的无线信道的时延多普勒信道矩阵进行处理，以获取目标通信双方分别作为接收方时所对应的无线信道的状态信息集合，其中，每一状态信息集合均包括多个元素，每个元素对应于一个信道路径的状态信息。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步骤S121中，采用如下方式对目标通信双方中任一方作为接收方时所接收到的信号进行处理：
Y＝H'X+Q
其中，表示接收方所对应的无线信道的时延多普勒信道矩阵，Y表示接收方收到的信号，X-1表示信号X的逆矩阵，X表示发送方发送的信号，/>表示矩阵DN的共轭转置矩阵的逆矩阵，DN表示大小为N的离散傅里叶矩阵，/>表示矩阵DM逆矩阵，DM表示大小为M的离散傅里叶矩阵，H′表示发送方至接收方的信道矩阵，Q表示独立同分布的复高斯噪声。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述步骤S122中，采用如下方式对目标通信双方中任一方作为接收方时所对应的无线信道的时延多普勒信道矩阵进行处理：
其中，S表示接收方对应的无线信道的状态信息集合，表示接收方所对应的无线信道的时延多普勒信道矩阵，peak(·)表示峰函数。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
S21、对步骤S122获得的目标通信双方分别作为接收方时所对应的无线信道的状态信息集合中的元素进行排序，使两个状态信息集合中的元素按照相同的信道路径顺序进行排序；
S22、基于步骤S21处理后的信息，分别以目标通信双方各自对应的的状态信息集合作为自身随机源生成其对应的物理层密钥，其中，物理层密钥包括多个信道路径的密钥，且采用状态信息集合中信道路径对应的元素生成该信道路径的密钥。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述步骤S22中，按照如下方式生成物理层密钥：
numi＝F+vi-1
其中，numi表示第i个信道路径的物理层密钥；vi表示状态信息集合中第i个信道路径对应的元素中的多普勒偏移；状态信息集合不包括信道时延时，F＝0；状态信息集合包括信道时延时，F＝(τi-1)M，τi表示状态信息集合中第i个信道路径对应的元素中的时延，M表示载波数量。
9.一种基于权利要求1-8任一所述方法的无线网络物理层密钥生成系统，其特征在于，所述系统包括：
信道探测模块，用于获取目标通信双方之间无线信道的状态信息，所述无线信道为多径信道，所述状态信息至少包括信道的多普勒偏移；
密钥生成模块，以信道探测模块中获取的状态信息作为随机源生成物理层密钥。
10.一种基于物理层密钥的无线网络通信方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
T1、目标通信双方基于权利要求1-8任一所述方法生成物理层密钥；
T2、目标通信双方中的发送方基于步骤T1生成的物理层密钥加密数据后传输给目标通信双方中的接收方；
T3、目标通信双方中的接收方基于步骤T1生成的物理层密钥对其接收到的加密数据进行解密。
11.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现权利要求1-8、10任一所述方法的步骤。
12.一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述电子设备实现如权利要求1-8、10任一所述方法的步骤。
CN202310262194.1A 2023-03-17 2023-03-17 一种无线网络物理层密钥生成方法、系统及通信方法 Pending CN116782209A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310262194.1A CN116782209A (zh) 2023-03-17 2023-03-17 一种无线网络物理层密钥生成方法、系统及通信方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310262194.1A CN116782209A (zh) 2023-03-17 2023-03-17 一种无线网络物理层密钥生成方法、系统及通信方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116782209A true CN116782209A (zh) 2023-09-19

Family

ID=88008873

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310262194.1A Pending CN116782209A (zh) 2023-03-17 2023-03-17 一种无线网络物理层密钥生成方法、系统及通信方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116782209A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5147936B2 (ja) Ｆｄｄ、ｔｄｄ、およびｍｉｍｏ通信でｊｒｎｓｏを実行するための方法および機器
Xiong et al. Secure transmission against pilot spoofing attack: A two-way training-based scheme
Lee et al. Secure index and data symbol modulation for OFDM-IM
Cheng et al. Efficient physical‐layer secret key generation and authentication schemes based on wireless channel‐phase
WO2015023233A1 (en) Precoding-codebook-based secure uplink in lte
CN111132153B (zh) 一种基于无线信道特征的内生安全通信方法
JP2008529413A (ja) 他と共有されないジョイント乱数性（ｊｒｎｓｏ）を用いて暗号鍵を導出する方法とシステム
Lai et al. Secure transmission with randomized constellation rotation for downlink sparse code multiple access system
Im et al. Secret key agreement with large antenna arrays under the pilot contamination attack
JP2014509094A (ja) 無線通信を安全にするシステム及び方法
US11516655B2 (en) Physical layer key generation
Qassim et al. Post-quantum hybrid security mechanism for MIMO systems
Van Linh et al. Key generation technique based on channel characteristics for MIMO-OFDM wireless communication systems
CN111683033B (zh) Tr_ofdm系统中基于星座旋转的加密及传输方法
Ni et al. PHY‐Aided Secure Communication via Weighted Fractional Fourier Transform
CN116782209A (zh) 一种无线网络物理层密钥生成方法、系统及通信方法
Cheng et al. Increasing secret key capacity of OFDM systems: a geometric program approach
Tang et al. Fast and efficient physical layer secret key generation over static wireless channels
Taha et al. Secret key establishment technique using channel state information driven phase randomisation in multiple‐input multiple‐output orthogonal frequency division multiplexing
Wang et al. Efficient and secure key extraction using channel state information
Cui et al. PSP: Proximity-based secure pairing of mobile devices using WiFi signals
Linh et al. A turbo‐based encryption and coding scheme for multiple‐input multiple‐output orthogonal frequency division multiplexing wireless communication systems affected by Doppler frequency offset
Shu et al. Secure directional modulation to enhance physical layer security in IoT networks
Li et al. Analysis of non-reciprocity factors in extracting secret key from wireless channels for practical indoor scenarios
Efstathiou A collaborative physical layer security scheme

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination