基于特征分布变换的无线信道密钥生成方法技术

本发明专利技术公开了一种基于特征分布变换的无线信道密钥生成方法，具体实现步骤包括：1、信道探测；2、特征分布变换；3、误差补偿；4、量化；5、信息协调；6、隐私增强。本发明专利技术使用特征分布变换与误差补偿技术，提高节点间信道特征值之间的相关性，解决了密钥生成中不一致率高的问题。在量化过程中，对所有信道特征值进行分布变换与量化，不丢弃信道特征值，解决了密钥生成速率低的问题。本发明专利技术提高了系统整体的有效性和可靠性，具有较高的密钥生成速率与较低的密钥不一致率，可以应用于无线传感器网络应用领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于通信
，更进一步涉及网络安全
中的一种基于特征分布变换的无线信道密钥生成方法。本专利技术是一种根据无线信道特性生成密钥的方法，即两个合法通信方根据他们之间的无线信道生成对称密钥，用于加密需要传输的数据。每一个合法的通信方都可以对数据进行加密和解密。本专利技术可用于无线体域网、智能家居系统中，解决了无线网络中用户之间数据传输的安全问题及轻量级无线网络中密钥生成的通信开销大、复杂度高的问题。
技术介绍
在轻量级无线网络应用(例如智能家居系统、可穿戴医疗设备)中，为了保证系统中仅合法用户可以正确接收信息，而非法用户无法正确接收信息，需要对传输的信息进行加密，物理层的密钥生成可以满足以上应用的轻量级要求。物理层的密钥生成是通信方根据他们之间的无线信道特性(时变性、互易性、空间去相关性)生成密钥的方法，能够实现上述网络应用的安全需求。Sriram Nandha Premnath等人在其发表的论文“Secret Key Extraction from Wireless Signal Strength in Real Environments”(IEEE Transactions on Mobile Computing,2013,12(5):917-930)中提出了一种自适应密钥比特生成(ASBG)方法。该方法的主要步骤是：首先，合法通信双方轮流互相发送已知的探测信号进行信道探测，双方得到他们之间无线信道的接收信号强度值；然后，通过以下步骤量化接收信号强度值：1.双方将接收信号强度值进行分组，根据每一组接收信号强度值的统计特性，分别求出一个量化上门限和一个量化下门限；2.双方找出各自上下门限内的接收信号强度值并删除，传输各自删除的接收信号强度值索引给对方；3.根据接收到的索引，双方在自身的接收信号强度值序列中删除对应的接收信号强度值；4.根据剩下的接收信号强度值的取值范围确定量化位数，将接收信号强度值均匀量化并进行格雷编码，生成密钥。但是，该方法仍然存在的不足之处是：首先，这种方法需要丢弃部分接收信号强度值，降低了密钥生成的速率；其次，双方直接对信道特征进行量化，密钥不一致率受噪声影响大，密钥不一致率较高。南京邮电大学在其申请的专利“基于信道特征的物理层密钥提取方法”(申请号201510240973.7，申请日期2015.05.12，公开日期2015.09.09)中提出了一种基于信道特征的物理层密钥提取方法。该方法的主要步骤是：1.通过信道估计得到合法通信双方的信道脉冲响应；2.利用改进的level-crossing算法对信道特征序列进行筛选和累加处理；3.利用Karhunen-Loève变换去除信道探测序列值之间的相关性；4.根据多比特自适应量化方法对信道估计值进行量化，生成密钥。该方法克服了密钥不一致率高的缺点。但是，该方法仍然存在的不足之处是：需要丢弃部分信道特征，密钥生成速率低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术在进行无线信道密钥生成时，生成密钥的密钥速率低、密钥不一致率高的问题，提出一种结合误差补偿技术的基于特征分布变换的无线信道密钥生成方法。实现本专利技术的思路是：通信双方通过信道探测，估计出信道的信道脉冲响应，利用信道脉冲响应的实部作为信道特征，用于生成密钥；扩展信道特征的分布函数，将信道特征映射到变换后的分布函数上；一个通信方利用变换后的信道特征生成误差补偿信息发送给另一方，并将变换后的信道特征量化生成量化码字。另一个合法通信方收到误差补偿信息，对自身的变换后的信道特征进行补偿，然后将补偿后的特征进行量化生成量化码字，对两个节点各自的量化码字进行信息协调、隐私增强得到最终的密钥。本专利技术的具体实现步骤包括如下：(1)信道探测：(1a)在瑞利衰落信道中，无线网络中任意两个通信节点A与通信节点B轮流互相发送预先设定的探测信号N次，N表示由所需密钥长度决定的通信节点A或通信节点B发送探测信号的次数；(1b)采用最大似然估计方法，通信节点A与通信节点B分别对每次接收的探测信号进行信道估计，得到瑞利衰落信道脉冲响应序列HA与HB；(1c)将瑞利衰落信道脉冲响应序列HA与HB的实部，分别作为通信节点A与通信节点B的瑞利衰落信道特征值序列XA与XB；(2)特征分布变换：(2a)在区间(1,2]内,通信节点A随机选取一个实数作为扩展因子α，并将扩展因子α的值发送给通信节点B；(2b)按照下式，构造通信节点A的分布变换函数： F A ( x 1 ) = 1 2 π ( ασ A ) 2 e - ( x 1 - μ A ) 2 2 α 2 σ A 2 ]]>其中，FA(x1)表示通信节点A的分布变换函数，x1表示通信节点A的瑞利衰落信道特征值，表示开根号操作，π表示圆周率，α表示扩展因子，σA表示瑞利衰落信道特征值序列XA的均方差值，e表示自然常数，μA表示瑞利衰落信道特征值序列XA的均值；(2c)按照下式，构造通信节点B的分布变换函数： F B ( x 2 ) = 1 2 π ( ασ B 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于特征分布变换的无线信道密钥生成方法，具体步骤包括：(1)信道探测：(1a)在瑞利衰落信道中，无线网络中任意两个通信节点A与通信节点B轮流互相发送预先设定的探测信号N次，N表示由所需密钥长度决定的通信节点A或通信节点B发送探测信号的次数；(1b)采用最大似然估计方法，通信节点A与通信节点B分别对每次接收的探测信号进行信道估计，得到瑞利衰落信道脉冲响应序列HA与HB；(1c)将瑞利衰落信道脉冲响应序列HA与HB的实部，分别作为通信节点A与通信节点B的瑞利衰落信道特征值序列XA与XB；(2)特征分布变换：(2a)在区间(1,2]内,通信节点A随机选取一个实数作为扩展因子α，并将扩展因子α的值发送给通信节点B；(2b)按照下式，构造通信节点A的分布变换函数：FA(x1)=12π(ασA)2e-(x1-μA)22α2σA2]]>其中，FA(x1)表示通信节点A的分布变换函数，x1表示通信节点A的瑞利衰落信道特征值，表示开根号操作，π表示圆周率，α表示扩展因子，σA表示瑞利衰落信道特征值序列XA的均方差值，e表示自然常数，μA表示瑞利衰落信道特征值序列XA的均值；(2c)按照下式，构造通信节点B的分布变换函数：FB(x2)=12π(ασB)2e-(x2-μB)22α2σB2]]>其中，FB(x2)表示通信节点B的分布变换函数，x2表示通信节点B的瑞利衰落信道特征值，表示开根号操作，π表示圆周率，α表示扩展因子，σB表示瑞利衰落信道特征值序列XB的均方差值，e表示自然常数，μB表示瑞利衰落信道特征值序列XB的均值；(2d)按照下式，对瑞利衰落信道特征值序列XA中每一个元素进行特征映射，得到通信节点A的特征映射值：gA(iA)=∫-∞xA(iA)FA(x1)dx1]]>其中，gA(iA)表示瑞利衰落信道特征值序列XA的第iA个特征映射值，iA∈[1,N]，N表示由所需密钥长度决定的通信节点A或通信节点B发送探测信号的次数，xA(iA)表示瑞利衰落信道特征值序列XA的第iA个元素，FA(x1)表示通信节点A的分布变换函数，x1表示通信节点A的瑞利衰落信道特征值；(2e)按照下式，对瑞利衰落信道特征值序列XB中每一个元素进行特征映射，得到通信节点B的特征映射值：gB(iB)=∫-∞xB(iB)FB(x2)dx2,]]>其中，gB(iB)表示瑞利衰落信道特征值序列XB的第iB个特征映射值，iB∈[1,N]，N表示由所需密钥长度决定的通信节点A或通信节点B发送探测信号的次数，xB(iB)表示瑞利衰落信道特征值序列XB的第iB个元素，FB(x2)表示通信节点B的分布变换函数，x2表示通信节点B的瑞利衰落信道特征值；(3)误差补偿：(3a)按照下式，计算通信节点A中每一个特征映射值的误差补偿值：其中，w(iA)表示通信节点A中第iA个特征映射值的误差补偿值，表示向下取整操作，gA(iA)表示通信节点A的第iA个特征映射值，iA∈[1,N]，N表示由所需密钥长度决定的通信节点A或通信节点B发送探测信号的次数；(3b)通信节点A将所有的特征映射值的误差补偿值发送给通信节点B；(3c)按照下式，对通信节点B中每一个特征映射值进行误差补偿，得到通信节点B误差补偿后的特征映射值：yB(iB)＝gB(iB)+w(iB)其中，yB(iB)表示通信节点B的第iB个误差补偿后的特征映射值，iB∈[1,N]，N表示由所需密钥长度决定的通信节点A或通信节点B发送探测信号的次数，gB(iB)表示通信节点B的第iB个特征映射值，w(iB)表示第iB个误差补偿值；(4)量化：(4a)对通信节点A中每一个特征映射值进行量化，得到单特征码；(4b)将通信节点A的所有单特征码首尾相接，得到量化码KA；(4c)对通信节点B中每一个误差补偿后的特征映射值进行量化，得到单特征码；(4d)将通信节点B的所有单特征码首尾相接，得到量化码KB；(5)信息协调：采用纠错码的方法，对量化码KA与量化码KB进行信息协调，得到与通信节点A量化码KA相同的通信节点B的协调码Τ；(6)隐私增强：对量化码KA与协调码Τ进行哈希运算，分别得到通信节点A与通信节点B相同的密钥Key，将密钥Key作为通信节点A与通信节点B共享的对称密钥。...

【技术特征摘要】
1.一种基于特征分布变换的无线信道密钥生成方法，具体步骤包括：(1)信道探测：(1a)在瑞利衰落信道中，无线网络中任意两个通信节点A与通信节点B轮流互相发送预先设定的探测信号N次，N表示由所需密钥长度决定的通信节点A或通信节点B发送探测信号的次数；(1b)采用最大似然估计方法，通信节点A与通信节点B分别对每次接收的探测信号进行信道估计，得到瑞利衰落信道脉冲响应序列HA与HB；(1c)将瑞利衰落信道脉冲响应序列HA与HB的实部，分别作为通信节点A与通信节点B的瑞利衰落信道特征值序列XA与XB；(2)特征分布变换：(2a)在区间(1,2]内,通信节点A随机选取一个实数作为扩展因子α，并将扩展因子α的值发送给通信节点B；(2b)按照下式，构造通信节点A的分布变换函数： F A ( x 1 ) = 1 2 π ( ασ A ) 2 e - ( x 1 - μ A ) 2 2 α 2 σ A 2 ]]>其中，FA(x1)表示通信节点A的分布变换函数，x1表示通信节点A的瑞利衰落信道特征值，表示开根号操作，π表示圆周率，α表示扩展因子，σA表示瑞利衰落信道特征值序列XA的均方差值，e表示自然常数，μA表示瑞利衰落信道特征值序列XA的均值；(2c)按照下式，构造通信节点B的分布变换函数： F B ( x 2 ) = 1 2 π ( ασ B ) 2 e - ( x 2 - μ B ) 2 2 α 2 σ B 2 ]]>其中，FB(x2)表示通信节点B的分布变换函数，x2表示通信节点B的瑞利衰落信道特征值，表示开根号操作，π表示圆周率，α表示扩展因子，σB表示瑞利衰落信道特征值序列XB的均方差值，e表示自然常数，μB表示瑞利衰落信道特征值序列XB的均值；(2d)按照下式，对瑞利衰落信道特征值序列XA中每一个元素进行特征映射，得到通信节点A的特征映射值： g A ( i A ) = ∫ - ∞ x ...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴莉莉，宋晓青，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61