基于信道特征的协作密钥提取技术研究

利用无线信道物理特征的对称性来保证无线信道安全一直是学术研究的热点。Suhas等人在经硬件改造的802.11平台上实现了基于信道特征的密钥提取测试,但是密钥生成速率较低。针对这一点提出了改进,通过借鉴协作通信技术,在密钥提取过程中引入合作节点以提高密钥生成速率。这里将整个过程分为协作探测信道、量化与协商纠错和密钥融合3个步骤。这里给出的设计可以显著提高密钥生成的速率。     

一种基于信道特征参数的无线通信密钥生成方法

无线通信由于自身传输信道的开放性,其安全问题相对于有线通信更为突出。物理层安全技术利用无线通信信道天然的多径时变特性,可为无线传输提供物理层加密,因而近年来得到快速发展。针对传统物理层安全中密钥生成速率低、频分双工系统不适用等问题,提出了一种基于信道特征参数的无线通信密钥生成方法。基于宽带信号对多径的辨识力,利用各径间相对时延生成初始密钥,结合码本进行密钥长度扩展,从而生成最终密钥。通过数值分析证明,相对于传统物理层密钥生成方式,所提方法能显著提高密钥生成速率,同时,基于时延信道特征的互易性,该方法可适用于时分双工和频分双工无线通信系统的物理层加密。     

双向中继稀疏多径信道密钥生成与分发

本文利用时分系统无线多径信道的互易性,提取信道相位信息作为密钥,实现双向中继信道的密钥生成与分发。由于信道的稀疏多径特性,采用基于压缩感知的重构算法对信道状态信息进行估计。端节点采用正交导频设计,将双向中继信道分解为两个点对点的信道;而中继采用物理层网络编码的思想,广播导频和密钥比特的异或。这样,仅用2个时隙就实现了密钥生成与分发,还保证了密钥的安全,且无需预先进行密钥的分配。仿真结果表明,本文所提方案可以有效的实现双向中继信道的密钥生成与分发,保证了物理层的安全通信。      

基于放大转发的双向中继信道密钥生成

根据基于放大转发的双向中继信道的特性,该文利用时分系统无线多径信道的互易性和卷积运算的交换律提取密钥,使得密钥可以在信道估计时生成,而无需预先进行分配。由于信道的稀疏多径特性,采用基于压缩感知的重构算法对信道状态信息进行估计,提出了基于多径相对幅度和基于多径相对相位的密钥生成方案进行密钥的生成,并与基于多径相对时延的密钥生成方案进行了比较。仿真结果表明,3种方案均可以达到较高的密钥生成一致性,解决了第三方窃听的问题,保证了物理层通信的安全。     

一种基于Savitzky-olay滤波的物理层密钥生成方法

物理层密钥生成技术使得节点能够利用无线信道的物理特性直接生成共享密钥,从而保证无线通信过程的安全性。针对当前物理层密钥生成方案普遍存在实际场景下密钥生成率低的问题,提出了一个基于Savitzky-olay滤波的物理层密钥生成机制优化方案。该方案中,合法通信节点首先探测信道并通过Savitzky-olay滤波消除部分由信道干扰造成的信道状态差异,然后,利用多级量化以及格雷码将信道状态转为比特序列,最终通过Cascade交互式信息协调协议以及基于2阶全域哈希函数的保密增强生成合法节点之间的共享密钥。实验结果表明,基于Savitzky-olay滤波的优化方案能够有效提高物理层密钥生成过程的效率,提高了此类安全机制的实际可用性。     

无线物理层密钥生成技术发展及新的挑战

物理层安全技术从信息论安全理论出发,保障通信安全,是实现安全与通信一体化的关键手段,逐渐成为国内外研究热点。该文围绕无线通信物理层密钥生成技术研究,主要聚焦在物理层密钥生成技术的理论模型,机制机理和研究现状,重点对比分析了两种不同类型密钥生成算法,即源型密钥生成算法和信道型密钥生成算法的区别和联系,揭示了物理层密钥技术利用通信信道内在安全属性促进通信安全的实质。特别地,该文给出了一种可行的物理层密钥生成5G工程实现框架。最后,该文展望了物理层密钥生成技术未来可能的研究方向。     

体域网中一种基于无线信道特征的密钥生成方法研究

无线体域网是以人体为中心的无线网络,受其有限的资源和计算能力的约束,如何保证无线体域网通信节点间共享密钥是当前面临的一大挑战。提出了一种基于超宽带无线体域网信道特征的密钥生成机制,利用超宽带信道多径相对时延与平均时延的差值量化生成密钥,降低了密钥不匹配率,同时引入辅助节点,提高了密钥生成速率。仿真结果表明,该机制能够在兼顾密钥一致性的前提下,获得较高的密钥生成速率并保证密钥的安全性。     

基于无线信道参数的物理层安全密钥容量

利用无线信道参数提取物理层安全密钥时,密钥容量受加性噪声、信道测量时差、终端移动速度、采样周期和采样点数等因素影响。针对这一问题,该文在均匀散射环境中利用单输入单输出无线信道定量分析密钥容量,推导了密钥容量的闭式解以确定最佳采样周期的约束条件。仿真分析表明该结论同样适用于非均匀散射环境,同时验证将物理层密钥提取技术应用于无线通信系统的可行性。     

利用LDPC编译码构建无线密钥协商协议的研究

基于无线信道特征的密钥生成过程中,为了降低通信双方生成的密钥不一致率常采取的措施是密钥协商。通常的密钥协商过程是在BSC信道下进行密钥协商,但是协商的效率较低。为了提高密钥协商的效率,本文提出一种在等效信道下基于LDPC编译码的协议机制。在此协议机制中,无线信道下采用Mathur[1][2]等人提出的Level-Crossing算法（LCA）提取密钥的过程构成了本协议中的等效信道,该机制对LCA提取后的密钥协商信息进行建模,推导了等效信道的最佳似然比,并据此采用LDPC码简单的加权比特翻转等译码算法[3-5]来有效进行密钥协商。将等效信道下LDPC码加权比特译码算法用于协商过程的性能和BSC信道下协商后的性能进行仿真,在SNR大于6db的前提下,仿真结果表明:1）在相同低门限的条件下,和LCA算法生成的初始密钥相比较,利用LDPC码比特翻转译码等算法在等效信道下和在BSC信道下协商后的密钥不一致率比初始密钥不一致率降低1至2个数量级;2）在等效信道下利用简单加权比特翻转译码算法进行密钥协商后的密钥不一致率比BSC信道下协商后的密钥不一致率降低大约1个数量级。      

基于指示单光子源和轨道角动量的密钥分配协议的波动分析

针对基于指示单光子源的测量设备无关量子密钥分配协议存在基的依赖性问题和信源统计波动问题,研究了基于服从泊松分布的指示单光子源和轨道角动量的量子密钥分配协议,并进行了统计波动分析。分析了对称信道和非对称信道下,该协议的单边传输效率、密钥生成速率与安全传输距离的关系,模拟了信源的统计波动对该协议密钥生成速率和传输距离的影响。仿真结果表明,应用轨道角动量编码解决了该协议基的依赖性问题,提高了密钥生成速率和安全传输距离。统计波动对该协议密钥生成速率的影响随着传输距离的增大而扩大,在脉冲数量相同时,非对称信道下的密钥生成速率、安全传输距离大于对称信道下的。