[发明专利]一种低复杂度的LoRa物联网基于物理层波形的安全加密方法

说明书

本发明公开了一种低复杂度的LoRa物联网基于物理层波形的安全加密方法。步骤1：生成合法接收方共享的加密秘钥；步骤2：利用步骤1的秘钥生成循环移位加密因子；步骤3：利用步骤2得到的循环移位加密因子加密循环移位值；步骤4：发送端利用步骤3的加密后的循环移位值调制LoRa信号；步骤5：接收端对LoRa加密信号的解调和解密，得到信息。相比现有LoRa物联网在网络层和应用层的信息加密方法，本发明利用无线信道的随机性提取合法通信节点间的无线信道秘钥，对LoRa物理层调制波形进行加密，进一步提高了LoRa物联网的安全级别。

技术领域

本发明属于通信技术领域；具体涉及一种低复杂度的LoRa物联网基于物理层波形的安全加密方法。

背景技术

物联网(IoT)技术经过十几年的发展，取得了长足的进步，将互联网与人、事物和环境之间的关系紧密联系起来。然而，随着物联网在各行业的广泛应用，先前被隔离、受到高度保护的有线网络的信息会暴露在显著风险的无线环境中，物联网信息的安全性变得更加重要。国际电工委员会白皮书《IoT2020-智能安全的物联网平台》明确指出，在推进物联网产业发展的同时，要特别注意其安全性和隐私保护。

LoRa作为一种物联网技术，它以广覆盖、低功耗等特点受到了广泛的关注。随着LoRa物联网在银行、政府、国防等各个领域的。广泛应用，以及在广域覆盖的卫星物联网的应用，LoRa物联网的安全问题成为了制约LoRa物联网产业化发展的瓶颈之一，LoRa物联网的安全问题迫切需要解决，日益受到学术界及企业界的广泛关注。

现有LoRa物联网的安全策略没有考虑LoRa调制的物理层特性，仅基于网络层和应用层对传输信息进行安全加密。现有技术给出了LoRa网络的基础架构，并对其MAC层和物理层进行了介绍，给出了基于传统公钥密码学(PKC)的LoRa物联网安全加密算法。在合法通信节点间，通过公用密钥基础结构(PKI)来分发秘钥，在LoRa物联网的网络层和应用层进行AES-128算法加密，保证传输信息的安全。然而，由于基于网络层和应用层的LoRa物联网安全加密方法存在密钥强度不足、单一密钥派生和密钥管理不完善等弱点，使得LoRa物联网的无线传输信息存在泄露的可能，不能满足银行、政府、国防等信息敏感部门对物联网保密通信的要求。

近年，物理层安全加密技术在OFDM系统及雷达系统得到了广泛的研究，相比于网络层和应用层安全加密技术，物理层安全加密技术具有以下优势：(1)实现完美保密；(2)低计算复杂度和资源消耗；(3)良好的适应性，以适应物理层的变化。

目前无线通信系统物理层安全加密技术主要分为三个研究方向：1、物理层安全编码，在传统的信道编码与调制技术之上增加安全性约束，使合法接收者顺利译码而窃听者具有高误比特率；2、空域加扰，利用多天线技术使信息波束对准合法接收者，而在其它方向上发送人工噪声干扰窃听者；3、跨层密钥提取与分发，利用无线信道特征生成一致性密钥，然后应用于协议高层加密。

物理层安全编码起源于1975年Wyner提出的陪集编码，其本质上是一种可实现保密容量的特殊编码。安全编码利用信道差异性在物理层通过一次编译码即可同时保证信息传输的可靠性与安全性，在信息传输速率不大于保密容量时，使窃听者无法消除任何有关私密信息的不确定度，因此，是一种不依赖于窃听者计算能力限制的安全通信手段；空域加扰主要目的是通过发送人工干扰破坏窃听者的接收性能，从而提高系统的保密容量。Goel和Negi提出了在合法信道零空间内发射人工噪声的方法，通过在发射信号上叠加与合法信道特征正交的加性人工噪声，在不影响合法接收者正常接收的同时对潜在窃听者实施人为干扰，达到安全传输的目的；跨层密钥提取与分发，利用无线信道特征的时变性和短时互易性，通过合法通信双方获得的信道测量信息生成逼近保密容量的一致性密钥，用于无线通信系统的安全加密。其主要涉及两方面内容：利用信道相位响应、冲激响应以及包络信息等无线信道特征生成密钥；采用二进制变量信息一致化方法与连续变量信息一致化方法进行信息一致化。