[发明专利]一种基于不可靠无线信道的物理层加密技术

说明书

1.应用领域

本发明涉及无线通信安全中的物理层加密问题，特别涉及一种基于不可靠无线传输信道丢包差异性的加密技术。

2.背景技术

近年来，各种无线通信技术层出不穷，这些技术的出现使计算机、手机、传感器等终端设备具有了移动接入的能力，解决了传统有线接入的连线制约，为用户提供了更加高效高速的接入方法。随着无线通信系统支持的数据传输速率的不断提高，无线用户的规模不断扩大，无线通信系统在很多方面逐步取代传统有线通信系统已经成为通信发展的必然趋势。同时，随着无线通信在民用方面的广泛普及，涉及商业机密的无线通信安全问题也变得越来越重要。

虽然无线通信摆脱了有线的束缚，但是其开放的通信媒介给无线通信的安全带来了巨大的隐患。因此，人们设计出各种加密技术对信息进行保护。信息在通信过程中一般会经过信源编码、信道编码、信道传输、信道解码和信源解码等阶段，传统的有线通信在信道传输过程中要求通信双方必须“有线连接”，第三方如果没有“有线连接”就不能获取信息，而一旦连接就有可能完全窃取通信双方的数据。因此，有线通信必须在信道以外通过数据加密的方法来保障信息安全，这其实是通过信源编码保障信息安全。然而，在无线通信系统中，由于电磁信号传播的广播特性和无线信道的开放性，信号通过无线电波在空间中任意传播，失去了“有线”的束缚，使得任意处于覆盖范围内的接收机不需要使用任何连线，便可接收到发射机所发射的信息，通信信息极易被合法的期望用户以外的其他非法用户获取。因此从这种意义上说，无线通信系统比传统有线系统具有更大的安全隐患。因此在无线通信中，如何保障信息的安全性，防止信息的无线泄露，也变得日益重要。

通信的安全性一直是衡量通信质量的重要手段，随着无线通信的迅猛发展，网络通信对安全性提出了更高的要求。近年来，无线通信系统物理层资源不断丰富，通过利用物理层资源的多样性和唯一性来保证无线通信的安全成为关注的热点，使物理层安全技术得以不断发展。物理层安全(physical-layer secrecy)是由Wyner从信息论角度首次提出的。实现物理层安全，主要是利用信道的物理特性。

无线通信系统中，信道的物理特性决定了丢包的随机性与独立性，从而使得两条不同的无线信道具有丢包差异性。本文根据信道丢包的差异性提出了一种物理层加密技术。

3.发明内容

本发明提出了一种基于无线信道丢包差异性的简单安全的物理层加密技术。

假设正常通信双方为Alice和Bob，非法第三方即窃听者为Eve。Alice与Bob的通信过程分为三步：密码协商过程，密码序号公布过程和加密数据传输过程。密码协商过程中，Alice与Bob按时隙交替发送密码包。Alice发送给Bob的密码包内容包括：密码包序号，伪随机产生长度为L比特的密码内容，CRC校验码以及其他传输必要信息。Bob发送给Alice的密码包内容包括：密码包序号，伪随机产生长度为L比特的密码内容，CRC校验码，是否接收到对方发送的密码包以及其他传输必要信息。

在每次传输数据之前，通信双方Alice、Bob先进行密码协商过程。

(1)Alice使用伪随机方法产生一个整数n，作为密码包总个数。

(2)Alice产生一个符合要求的密码包，其中密码包序号为1。

(3)Alice在时隙1将该密码包经过丢包率为p_A的信道发送给Bob。

(4)Bob产生一个符合要求的密码包，其中密码包序号为1，是否接收到对方发送的密码包则根据实际接收情况进行确定。若Bob正确接收到了Alice发来的序号为1的密码包，则该位设置为1，其余情况设置为0。

(5)Bob在时隙2将该密码包经过丢包率为p_B的信道发送给Alice。

(6)Alice继续产生序号为2的密码包。在时隙3将密码包发送给Bob后，Bob根据接收情况在时隙4给Alice发送序号为2的密码包。如此交替发送，直到Alice和Bob均发送了n个密码包。

(7)Alice根据接收情况以及接收到的密码包中“是否接收到对方发送的密码包”的信息，形成密码序号序列进行发布。即Alice将正确接收到的Bob发送的密码包序号以及密码包中“是否接收到对方发送的密码包”位置为1(即表明Bob正确接收到了Alice发送的相同序号的密码包)的密码包序号形成序列，发送给Bob。

(8)Alice和Bob均根据密码包序号序列，取出对应的密码内容，并按位模二加，则生成了L比特的密码，利用其对数据进行加密后即可实现安全传输。