[发明专利]一种频分双工系统中基于无线信道特征的密钥产生方法

说明书

技术领域

本申请涉及信息加密领域，尤其涉及在频分双工(FDD，Frequency Division Duplex)系统下的密钥生成方法。

背景技术

随着计算机和通信技术的迅速发展，无线通信网络已经成为通信领域的研究热点和发展最为迅猛的增长点，伴随而来的是其中所面临的安全问题，这也是必须解决的问题。

众所周知，无线通信的信道是开放的，用户是可以漫游的，这导致无线通信系统的安全威胁远远大于有线通信系统。任何入侵者都可以非常容易地截获无线传输的信号而不被发觉，如果传输的信号没有得到良好的安全保护则很容易造成信息泄漏。

目前无线通信系统的安全保密机制是基于传统密码学的加密技术，其缺陷在于：(1)没有考虑无线信道的开放性，空中接口成为安全漏洞，在用户身份认证与鉴权、密钥协商等过程中认证与鉴权信息很容易被窃听从而为密钥攻破留下隐患；(2)传统加密算法都是基于计算复杂度的，并不能提供具有绝对安全性的密码方案。随着计算机的计算能力的级数增加，加密算法的安全性将随之下降。因此，需要针对无线信道的广播特性，设计更为有效的安全保障机制与方法。

基于无线信道特征的物理层安全技术能有效解决传统加密技术存在的问题。目前在时分双工(TDD，Time Division Duplex)系统下已有很多利用无线信道特征产生密钥的方法，如C.Ye，A.Reznik和Y.Shah撰写的文章“Extracting secrecy from jointly Gaussian random variables，”(Proc.Iht.Symp.Inf.Theory，第2593-2597页，2006年7月)、N.Patwari等撰写的文章“High-Rate Uncorrelated Bit Extraction for Shared Secret Key Generation from Channel Measurements，”(IEEE Trans.Mobile Comp.，vol.9，no.1，第17-30页，2010.)以及S.Mathur等撰写的文章“Radio-telepathy：Extracting a Secret Key from an Unauthenticated Wireless Channel，”(Proc.MobiCom’08，第128-139页，2008年9月)中提到的方法。

在FDD系统中，由于其上下行使用的载波的频率间隔通常远远超过信道相干带宽，使得上下行信道衰落系数不像TDD系统中那样具有互易性，导致在TDD系统中利用信道衰落系数的互易性产生密钥的方法不适用于FDD系统。目前适用于FDD系统的物理层安全方法甚少：Wang W J，Jiang H Y，Xia X G等撰写的文章“A wireless secret key generation method based on Chinese remainder theorem in FDD systems”(Sci China Inf Sci，2012，55：1605-1616，doi：10.1007/s11432-012-4570-2)中利用到达角及多径时延具有互易性来产生一致性密钥，但该文章提供的结果中产生的密钥的不一致性在高信噪比(30dB)下为10^-3左右，难以满足实际应用的需求。在美国专利US20080259825A1(METHOD AND APPARATUS FOR PERFORMING JRNSO IN FDD，TDD AND MIMO COMMUNICATIONS)中公开了一种在FDD系统下基于无线信道特征的一致性密钥生成方法，具体地，其在FDD中采用JRNSO(joint randomness not shared with others)模式，即双方分别发送只有自己知道的导频，对方接收到该信号后不做处理而是在小于信道相干时间的时间间隔内直接转发至对方，这样双方就可以获得一个由上行与下行信道状态信息复合而成的信道信息，由于转发在信道相干时间内完成，故双方获得的信道信息具有高相关性，因而可将之用于密钥产生。JRNSO模式执行于两数据传输阶段之间，且要求JRNSO模式与数据传输阶段的时间间隔大于信道相干时间，从而避免窃听者从数据传输阶段获得与JRNSO阶段高度相关的信道信息。该专利方法存在以下问题：

1)未考虑传输间隔对信道互易性的影响：由于JRNSO模式利用的是前后两帧时间间隔内的信道状态信息具有高度相关性的特性，这就限制了该方法不能应用于信道状态信息快速变化的高速移动场景；