[发明专利]基于信道特征的物理层密钥生成方法及系统

说明书

本发明属于安全通信技术领域，特别涉及一种基于信道特征的物理层密钥生成方法及系统，包含：通信双方依据事先约定采样策略，将多信道网络中各子信道信号强度作为信道特征参数，对该信道特征参数进行评估和提取；对提取到的信道特征参数通过信道量化方式进行量化；通信双方分别针对量化数据进行信息调和，获取各自初始密钥，双方并经过密钥协商进行密钥增强，得到最终会话密钥。本发明通信双方根据采样策略对多个子信道的RSS进行采样，经过去均值滤波、量化编码等处理后最终形成密钥，不但能够有效降低采样数据的相关性，克服信道相干时间限制，提高密钥生成效率，同时方法、简单，计算开销少，能够有效在物联网设备上实现，具有较好的应用前景。

技术领域

本发明属于安全通信技术领域，特别涉及一种基于信道特征的物理层密钥生成方法及系统。

背景技术

当前，无线网络已广泛应用于军民各领域，但由于无线信道的开放性，使得无线网络面临着窃听攻击等安全风险。传统的安全手段是在网络层通过对称或非对称密码体制对数据进行加密，但这种安全手段面对移动网络环境或资源受限的物联网设备时，却面临诸多难题。对称加密方法需要复杂的密钥管理机制，很难满足移动网络的安全需要，而非对称密码算法对设备运算能力要求又高，物联网设备难以负担。

基于无线信道特征的物理层密钥生成方法有效解决了上述难题。该方法借助信道的短时互易性、时变性、快速空变性及随机性，以无线信道的传输特征为基础，通过采集通信信号强度、多径时延或相位等信道特征参数作为密钥的随机生成源，从而可为通信双方提供密码安全服务，在5G、物联网等安全研究中尤其重要。自从Hershey等提出可在时分双工的通信系统中提取物理层密钥后，针对不同信道特征，很多实际的密钥生成方案被相继提出，这些方法选取的信道特征参数主要包括：信道状态信息(Channel StateInformation,CSI)、相位、信号强度(RSS)等。CSI被认为是最合适的信道参数，能够提供较高的KGR，但由于其受频偏、干扰影响较大获取较难，设备软硬件要求也较高；相位的优点是密钥生成速率较快，但是对噪声敏感，一致性较低。

发明内容

为此，本发明提供一种基于信道特征的物理层密钥生成方法及系统，能够在无线设备的计算资源需求和密钥生成速率之间取得较好的平衡，方法简单、高效，易于在物联网设备上实现。

按照本发明所提供的设计方案，一种基于信道特征的物理层密钥生成方法，包含如下内容：

通信双方依据事先约定采样策略，将多信道网络中各子信道信号强度作为信道特征参数，对该信道特征参数进行评估和提取；

对提取到的信道特征参数通过信道量化方式进行量化；

通信双方分别针对量化数据进行信息调和，获取各自初始密钥，双方并经过密钥协商进行密钥增强，得到最终会话密钥。

作为本发明基于信道特征的物理层密钥生成方法，进一步地，通信发起者依据采样策略周期性地向通信接收者发送探测请求帧，通信接收者根据探测请求帧编号记录请求帧信号强度并回复通信发起者应答帧；通信发起者按照应答帧编号记录应答帧信号强度。

作为本发明基于信道特征的物理层密钥生成方法，进一步地，事先约定采样策略中，通信双方按照信道选择策略选择子信道，各子信道特征采样遵守探测重传协议。

作为本发明基于信道特征的物理层密钥生成方法，进一步地，选择子信道过程中，首先，依据通信发起者和通信接收者节点编号和子信道数量及最小子信道编号，确定初始采样子信道；然后，依据当前采样子信道、每次采样信道跳转步长、最小子信道编号及子信道数量，确定下次采样子信道。

作为本发明基于信道特征的物理层密钥生成方法，进一步地，通信双方多轮探测过程中，将各子信道信号强度缓存为矩阵RSS，其中，RSS_ij代表第i轮探测时第j个采样子信道所得到的信号强度采样值。