本发明专利技术公开了一种联合信道幅度和相位的二维无线物理层密钥生成方法，该方法基于窄带平坦衰落信道，是将估计的信道幅度和信道相位组合成一个极坐标点。根据幅度和相位组合比特数的不同划分不同的区域，然后根据极坐标点所在的区域进行量化成不同的比特流。该方法的实施步骤包括：本发明专利技术的Alice向节点Bob发送探测信号，Bob接收到信号后，并用它来测量信道特征，接着向Alice发送数据包，节点Alice接收并测量。多个来回后，得到信道幅度和相位矢量。最后Alice和Bob分别根据信道幅度和相位所需比特的不同进行量化得到初始密钥。本发明专利技术与基于信道相位的密钥生成方案相比，具有较低的初始比特不一致率，降低了通信双方彼此间的信息协商程度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种联合信道幅度和相位的二维无线物理层密钥生成方法，属于无线通信
技术介绍
随着无线网络的不断发展，无线通信在生活中起到了越来越重要的作用。然而由于无线媒介的广播性和开放性，传播的信息极容易被窃听，无线通信的隐私以及安全问题已经成为广泛关注的焦点。传统的保障通信安全的技术主要是在网络层以密码学为基础，其安全性依赖于计算能力，随着量子信息时代的到来，很多传统的加密方法很容易被破解，而物理层安全技术则可以达到信息理论意义上的安全，信息理论安全的基本原理是需要加密方案与探索信道随机性的信道编码技术来保证第三方无法在无线媒介上窃听。密钥生成技术是指利用通信技术和手段生成为通信双方安全所共享的随机信道参数，作为密钥提取材料。已有密钥提取的研究主要包括基于接收信号强度(Received Signal Strength，RSS)和信道相位两大类，此外还有少量关于其它参数的提取算法研究，如信道状态信息、信道脉冲响应、信号包络等信道特征。仅从单一的信道特征，例如信道相位去考虑密钥生成问题，存在较高初始比特不一致率的问题。而本专利技术能够很好地解决上面的问题。
技术实现思路
本专利技术目的在于解决了上述现有技术的不足，提供了一种联合信道幅度和相位的二维无线物理层密钥生成方法，该方法是利用时分系统无线信道的互易性，对两个节点之间的信道幅度和相位进行测量，从而提取密钥比特，与基于信道相位的密钥生成方案相比，本专利技术具有较低的初始比特不一致率，降低了通信双方彼此间的信息协商程度。本专利技术联合信道幅度和相位，实现了二维无线物理层密钥生成，充分利用了信道的特性。本专利技术解决其技术问题所采取的技术方案是：一种联合信道幅度和相位的二维无线物理层密钥生成方案，该方法基于窄带平坦衰落信道，将估计的信道幅度和信道相位组合成一个极坐标点，根据幅度和相位组合比特数的不同划分不同的区域， 然后根据极坐标点所在的区域进行量化成不同的比特流。方法流程：本专利技术的Alice向节点Bob发送探测信号，Bob接收到信号后，并用它来测量信道特征，接着向Alice发送数据包，节点Alice接收并测量。多个来回后，得到信道幅度和相位矢量。本专利技术将幅度测量值和其对相应的相位组成一个极坐标点，根据幅度和相位组合比特数的不同划分不同的区域，最后Alice和Bob分别根据根据点所在的区域进行量化成不同的比特流得到初始密钥。具体包括如下步骤：步骤1：Alice向Bob发送探测信号sa(t)，Bob接收的信号yB(t)＝sa(t)*hAB+nB，测量出信道幅度r和θ，同样Bob接着向Alice发送探测信号，Alice接收并测量。最终，多个来回后，信道相位矢量表示如下：θa＝[θa(1)T,...,θa(N)T]θb＝[θb(1)T,...,θb(N)T]其中，N为矢量长度，矢量中的每个元素θa(1),θb(1),...,θa(N),θb(N)，是每测量一次信道，多次采样的采样值集合。信道幅度的矢量用ra和rb表示。步骤2：Alice和Bob将得到的幅度矢量中的每个元素ra(1),rb(1),...,ra(N),rb(N)依据矢量元素中的最大值和最小值进行线性归一化。也就是元素值与最小值的差除以最大值与最小值的差，这样就得到新的矢量元素值ρa(1),ρb(1),...,ρa(N),ρb(N)。步骤3：Alice和Bob分别将将幅度测量值和其对相应的相位组成一个极坐标点，例如极坐标点(ρa(1),θa(1))。幅度值位于[0,1]之间，相位服从在[-π,π)的均匀分布，这样就把点映射到了单位圆内。根据幅度和相位组合比特数的不同划分不同的区域，然后根据点所在的区域进行量化成不同的比特流，本专利技术所述的区域为量化区间q，量化区间q决定最后生成的密钥比特数。只是划分区域形状的不同,相位和幅度所需的比特也不同。本专利技术给出了联合幅度和相位的3比特密钥生成方案。本专利技术是基于窄带衰落平坦信道，利用时分系统无线信道的互易性。本专利技术的信道特性对接收端和发送端之间的距离很敏感，当窃听者Eve与合法通信的用户Alice和Bob之间的距离大于λ/2以上距离，Eve的测量hAE和hBE与Alice和Bob的测量几乎没有相关性。有益效果：1、本专利技术充分利用了信道的特性，与基于信道相位的密钥生成方案相比，具有较低的初始比特不一致率，降低了通信双方彼此间的信息协商程度。2、本专利技术联合信道幅度和相位，很好地实现了二维无线物理层密钥生成。附图说明图1为本专利技术的物理层无线窃听系统的示意图。图2为本专利技术的方法流程图。图3为本专利技术的2比特相位和1比特幅度组合生成3比特密钥的方案。图4为本专利技术的2比特幅度和1比特幅度组合生成3比特密钥的方案。具体实施方案下面结合说明书附图对本专利技术创造作进一步的详细说明。本专利技术所有的符号注解包括：sa(t)：Alice发送的激励信号；sb(t)：Bob发送的激励信号；hBA：Bob发送探测信号时从Bob到Alice的信道所对应的信道增益；hAB：Alice发送探测信号时从Alice到Bob的信道所对应的信道增益；yA(t)：Alice接收到的信号；yB(t)：Bob接收到的信号；ra：Alice测量的幅度矢量；rb：Bob测量的幅度矢量；θa：Alice测量的相位矢量；θb：Bob测量的相位矢量；ρa：Alice线性归一化后的幅度矢量；ρb：Bob线性归一化后的幅度矢量如图1所示，本专利技术无线物理层密钥生成是基于公共无线信道的互易特性。窃听信道系统模型如图1所示，假设无线通信系统有两个合法节点Alice和Bob以及被动 攻击者Eve。合法节点Alice和Bob测量物理信道的互易特性，分别用hAB和hBA表示。当窃听者Eve与合法通信用户Alice和Bob之间的距离大于λ/2以上距离。Eve的测量hAE和hBE与Alice和Bob的测量几乎没有相关性。对于窄带平坦衰落信道，合法通信双方Alice和Bob以TDD方式互发训练序列，并且双方的探测时间间隔小于信道的相关时间。如图2，本专利技术的Alice向节点Bob发送探测信号，Bob接收到信号后，并用它来测量信道特征，接着向Alice发送数据包，节点Alice接收并测量。多个来回后，得到信道幅度和相位矢量。本专利技术将幅度测量值和其对相应的相位组成一个极坐标点，根据幅度和相位组合比特数的不同划分不同的区域，最后Alice和Bob分别根据根据点所在的区域进行量化成不同的比特流得到初始密钥。具体包括如下步骤：步骤1：Alice向Bob发送探测信道sa(t)，Bob接收的信号yB(t)＝sa(t)*hAB+nB，测量出信道幅度r和相位θ，同样Bob接着向Alice发送探测信号sb(t)，Alice接收的信号yA(t)＝sb(t)*hBA+nA并测量信道幅度和相位。hBA为Bob发送探测信号时从Bob到Alice的信道所对应的信道增益，为复高斯随机过程。hAB为Alice发送探测信号时从Alice到Bob的信道所对应的信道增益；nA,nB为独立同分布的复高斯随机变量。最终，多个来回后，信道相位矢量表示如下：θa＝[θa(1)T,...,θa(N)T]θb＝[θb(1)T,...,θb(N)T]其中，N为矢量长度，矢量中的每个元素θa(1),θb本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种联合信道幅度和相位的二维无线物理层密钥生成方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1：Alice向Bob发送探测信号sa(t)，Bob接收的信号yB(t)＝sa(t)*hAB+nB，测量出信道幅度r和θ，同样Bob接着向Alice发送探测信号，Alice接收并测量，最终，多个来回后，信道相位矢量表示如下，即：θa＝[θa(1)T,...,θa(N)T]θb＝[θb(1)T,...,θb(N)T]其中，N为矢量长度，矢量中的每个元素θa(1),θb(1),...,θa(N),θb(N)，是每测量一次信道，多次采样的采样值集合，信道幅度的矢量用ra和rb表示；步骤2：Alice和Bob将得到的幅度矢量中的每个元素ra(1),rb(1),...,ra(N),rb(N)依据矢量元素中的最大值和最小值进行线性归一化，也就是元素值与最小值的差除以最大值与最小值的差，这样就得到新的矢量元素值，即：ρa(1),ρb(1),...,ρa(N),ρb(N)；步骤3：Alice和Bob分别将将幅度测量值和其对相应的相位组成一个极坐标点，即极坐标点(ρa(1),θa(1))，幅度值位于[0,1]之间，相位服从在[‑π,π)的均匀分布，这样就把点映射到了单位圆内，根据幅度和相位组合比特数的不同划分不同的区域，然后根据点所在的区域进行量化成不同的比特流。...
【技术特征摘要】
1.一种联合信道幅度和相位的二维无线物理层密钥生成方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1：Alice向Bob发送探测信号sa(t)，Bob接收的信号yB(t)＝sa(t)*hAB+nB，测量出信道幅度r和θ，同样Bob接着向Alice发送探测信号，Alice接收并测量，最终，多个来回后，信道相位矢量表示如下，即：θa＝[θa(1)T,...,θa(N)T]θb＝[θb(1)T,...,θb(N)T]其中，N为矢量长度，矢量中的每个元素θa(1),θb(1),...,θa(N),θb(N)，是每测量一次信道，多次采样的采样值集合，信道幅度的矢量用ra和rb表示；步骤2：Alice和Bob将得到的幅度矢量中的每个元素ra(1),rb(1),...,ra(N),rb(N)依据矢量元素中的最大值和最小值进行线性归一化，也就是元素值与最小值的差除以最大值与最小值的差，这样就得到新的矢量元素值，即：ρa(1),ρb(1),...,ρa(N),ρb(N)；步骤3：Alice和Bob分别将将幅度测量值和其对相应的相位组成一个极坐标点，即极坐标点...
【专利技术属性】
技术研发人员：侯晓赟，杨硕，朱艳，胡慧菊，屈云国，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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