[发明专利]基于信道状态信息的水声物理层密钥生成技术

说明书

本发明设计了一种适用于水声信道的物理层密钥生成技术，基于信道状态信息的水声物理层密钥生成技术，该密钥生成技术设计主要包括下列步骤：水声信道状态感知，对水声信道中的信道状态信息进行测量估计；进一步对感知后的测量值进行特征量化，得到初始密钥；最后，对初始密钥进行密钥协商，将不一致的密钥序列协商纠错，保证最后的密钥高度一致。

技术领域

本发明属于水声网络通信技术领域，涉及一种基于信道状态信息的水声物理层密钥生成技术。

背景技术

近年来，随着各沿海国对开发海洋资源、维护国家海洋权益的日益重视，水声物理层密钥生成技术的理论研究及应用得到越来越多的关注。但是与传统陆地无线物理层密钥生成技术不同，水声物理层密钥生成技术是指合法通信节点在水下以声波为载体，以海水为传播介质进行密钥传输，因此，其信号传播环境非常复杂，通常会出现多径效应和多普勒效应，增加了通信节点数据传输的不确定性，还容易受到各种恶意攻击，这导致水声物理层密钥生成技术的设计面临着巨大的困难。水声物理层密钥生成技术是水下网络通信中特别重要的一部分，它允许在有窃听节点的情况下进行安全通信。传统的水声物理层密钥生成技术大多假设处于较为理想的情况下生成的，只是将一些传统的密钥生成技术应用于水下环境，没有考虑水声传播速度较低的特性，使得传播时延较大，会导致通信双方的测量值之间相干性非常低。另外大多没有考虑多普勒效应，忽略了物体的移动，但实际的应用场景往往都是动态变化的，如水下AUV的通信，而多普勒频移会破坏系统中子载波的正交性，以至于系统不能正常进行工作，使得水声物理层密钥生成技术的误码率非常高。并且很少讨论生成密钥的随机性，实际的水声物理层密钥生成技术必须要保证生成密钥的随机性足够强，否则窃听者可以根据密钥比特的规律猜测出密钥，无法保证密钥的安全性能。针对这些问题，本发明在信道状态感知过程中合法节点发送完一个探测信号后等待一个符号周期在发送下一个符号，提高了测量的时间间隔，并随机加入导频信号，使得生成密钥的随机性在信道环境变化非常缓慢的情况下也可以得到保证，并且在密钥协商过程中，使用交织技术使数据顺序随机化，增强了密钥生成的随机性。另外，为了解决由于传播时延较大和多普勒效应而导致的误码率问题，在特征量化阶段，提出了一个双层补偿K均值聚类量化算法，将信道状态感知后的样本值聚类到对方合法节点的量化域附近，降低了水声物理层生成密钥的误码率。

发明内容

为了解决水下场景中复杂的多普勒效应和多径效应导致的高误码率问题以及传播时延较大导致的互易性受损问题和密钥安全问题，本发明提供了一种基于信道状态信息的水声物理层密钥生成技术，当合法节点进行信道探测时添加随机信号，即使在信道环境变化极其缓慢的情况下也可以保证生成密钥的随机性，紧接着，通过双层补偿K均值聚类量化方案将感知后的样本值聚类到合法节点量化域附近范围内进行特征量化，降低密钥的误码率，最后通过卷积编码加交织的纠错编码技术将不一致的密钥序列协商纠错，提高密钥的一致性。技术方案如下：

基于信道状态信息的水声物理层密钥生成技术，包括下列步骤：

（1）信道状态感知：在时分双工工作模式下，水下节点A与节点B生成一个公开导频信号，节点A生成随机信号和，节点B生成随机信号。以第i轮信道状态感知为例，在时刻，节点A生成一个探测信号，并发送给节点B。节点B接收到信号后，将奇数行合并为,偶数行合并为，并将偶数行进行最小均方根误差估计得到节点B第一阶段的估计值；节点B在下一个时隙向节点A发送，节点A接收到的信号为接收，然后立刻发送确认信号ACK，并将奇数行合并为，偶数行合并为，根据奇数行与公开导频信号进行估计可以得到中间变量。根据中间变量，节点A的随机信号、以及节点A接收到的偶数行，可以进行最小均方根误差估计得到节点A在第一阶段估计值。