静态无线信道条件下点对点会话密钥的快速生成方法技术

本发明专利技术公开了一种静态无线信道条件下点对点会话密钥的快速生成方法，主要解决现有技术中静态或者低速移动场景下无线信道密钥生成速率低，密钥随机性差的问题。其实现方案为：1.对无线信道进行信道估计；2.将信道估计得到的信道参数进行安全传递与重构；3.对振幅调制参数进行安全传递与重构；4.利用重构的信道参数和振幅调节参数，建立产生密钥的随机信源；5.对随机信源进行量化编码及密钥协商，最终生成会话密钥。本发明专利技术能在静态或者低速移动场景下提高密钥生成速率以及密钥随机性，并且不需要提供安全通道，可用于无线通信中两通信节点之间的信息保密传输。

A fast generation method of peer to peer session key under static wireless channel condition

The invention discloses a fast generation method of point to point session key under the condition of static wireless channel, which mainly solves the problem of low key generation rate and poor key randomness in the static or low speed mobile scene in the existing technology. The scheme is as follows: 1. the channel estimation for wireless channels; 2. to transmit and reconstruct the channel parameters estimated by the channel; 3. to transmit and reconstruct the amplitude modulation parameters safely; 4. to use the reconstructed channel parameters and amplitude modulation parameters to establish the random source for the key generation; 5. to quantify the random source. Coding and key agreement, and finally generate session key. The invention can improve the key generation rate and the key randomness in the static or low speed mobile scene, and do not need to provide a secure channel, which can be used for information secrecy transmission between two communication nodes in wireless communication.

【技术实现步骤摘要】
静态无线信道条件下点对点会话密钥的快速生成方法
本专利技术属于通信
，更进一步涉及一种点对点会话密钥的快速生成方法，可用于无线通信中两通信节点之间的信息保密传输。
技术介绍
随着无线通信的广泛应用，无线通信的安全问题越来越受到人们的关注。由于无线通信的广播特性，通信双方很容易受到窃听、消息篡改、节点冒充的攻击。所以在合法节点通信之前，建立会话密钥变得必不可少。许多无线设备的能量是受限的，计算能力也是有限的，使得现有的基于传统密码学的公钥加密技术，例如借助于RSA算法或者借助于椭圆曲线加密算法面临着巨大的挑战。根据信息论的理论，目前已经存在一些可供选择的密钥产生方法。这些方法主要基于无线信道的时变性、空间去相关性和互易性，将无线信道的状态信息作为产生密钥的信源。中国科学院信息工程研究所申请的专利“密钥生成方法”(申请号：201510416469.8，申请公布号：CN105120453A)公开了一种密钥生成方法。该方法包括：对无线通信信道的状态进行测量，并对信道测量值进行量化，之后利用模糊提取技术进行信息调和与隐私放大，最终由通信双方生成完全相同的密钥，即：会话密钥。该方法利用了无线信道的时变性生成密钥，它的不足之处在于：当节点低速移动或者静止时，信道在时间维度的变化非常缓慢甚至保持不变，这使得密钥生成速率很低。2013年，DajiangChen等人提出了利用协作节点生成密钥的方案，当一个合法节点发送探测信号时，协作节点同时发射扰动信号，使另一个节点测量的信道状态值产生变化，以提高密钥的生成速率。为了对抗窃听节点，该方法要求在协作节点和一个合法节点之间存在一个安全通道，窃听节点不能够窃听到该安全通道中的任何信息，以保证两合法节点接收到的扰动信号是相同的。但是，现实中的很多场景并不存在这样的安全通道，这阻碍了该方法在现实中的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种静态无线信道条件下的点对点会话密钥的快速生成方法，以在不需要安全通道的条件下，提高密钥的生成速率及密钥的随机性。本专利技术的技术思路是：通过构造一个虚拟的信号源产生具有丰富变化的随机信号,用该随机信号作为产生密钥的信息源。为了保证密钥的安全性，利用信道响应的唯一性和差分值的模糊性，在合法节点间安全传递随机信源的相关参数，使得只有合法节点才能得到虚拟信源发射的信号。其实现方案如下：1.一种静态无线信道条件下点对点会话密钥的快速生成方法，包括：(1)无线信道估计：无线网络中的三个节点A、B、C依次发出训练信号s，每个节点分别根据所接收的信号估计出它与另外两个节点之间的信道响应，其中第一通信节点A估计自己与协作节点B和第二通信节点C的信道响应分别为和协作节点B估计自己与第一通信节点A和第二通信节点C的信道响应分别为和(2)信道参数的安全传递与重构：(2a)协作节点B计算信道响应差分值：并通过公共信道将Δh发送出去；(2b)第一通信节点A估计协作节点B与第二通信节点C之间的信道响应重构值：(3)振幅调制参数的传递与重构：(3a)第一通信节点A产生M个独立同分布且取值为正的随机数，其中M为一个大于1的自然数，用这M个随机数构成第一通信节点A的振幅调制参数序列：α＝{α(1),α(2),α(3),...,α(i),...,α(M)}，其中，α(i)表示第一通信节点A的振幅调制参数序列α中的第i个振幅调制参数，i∈[1,M]；(3b)协作节点B产生M个独立同分布且取值为正的随机数，并用这M个随机数构成协作节点B的振幅调制参数序列：β＝{β(1),β(2),β(3),...,β(i),...,β(M)}，其中，β(i)表示协作节点B的振幅调制参数序列β中的第i个振幅调制参数；(3c)协作节点B计算振幅调制参数序列β的差分序列：Δβ＝{Δβ(1),Δβ(2),Δβ(3),...,Δβ(i),...,Δβ(M)}，并将差分序列Δβ通过公共信道发送出去，其中，第i个差分值Δβ(i)按照下式计算得到：(3d)第一通信节点A估计协作节点B的振幅调制序列β的重建值其中，第i个元素为(4)建立产生密钥的随机信源：(4a)第一通信节点A用自己的振幅调制参数序列α对训练信号s进行调制，得到第一调制信号；协作节点B用自己的振幅调制参数序列β对训练信号s进行调制，得到第二调制信号；将第一调制信号和第二调制信号同时发送出去；(4b)第二通信节点C将接收到的信号作为自己产生密钥的随机信源Yc：Yc＝α·s·hAC+β·s·hBC+nC，其中，hAC表示第一通信节点A与第二通信节点C之间的真实的信道响应值，hBC表示协作节点B与第二通信节点C之间的真实的信道响应值，nC表示第二通信节点C的观测噪声矢量，随机信源Yc是一个长度为M的矢量；(4c)第一通信节点A按照下式构造出自己产生密钥的随机信源YA：其中，nA表示第一通信节点A的观测噪声矢量，随机信源YA是一个长度为M的矢量；(5)生成会话密钥：第一通信节点A与第二通信节点C分别将各自产生密钥的随机信源YA和Yc进行量化编码，得到节点A量化码KA和节点C量化码Kc，并对节点A量化码KA和节点C量化码Kc进行信息协调，得到它们共享的会话密钥。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：第一，本专利技术由于能够人为地控制密钥的产生速率，与现有技术相比，摆脱了对无线信道自身变化快慢的依赖，提高了静态或者低速移动场景下无线信道密钥的生成速度。第二，本专利技术由于利用了无线信道响应具有唯一性的特点，设计出信源的随机参数能够在合法节点之间进行安全传递和重构的机制，与现有方法相比，即使没有安全信道，本专利技术也能保证所产生密钥的安全性，具有更广泛的应用场景。附图说明图1为本专利技术的实现流程图；图2为本专利技术的密钥生成速率与协作节点发射功率和接收信噪比的关系曲线图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步的描述。参照图1，本专利技术的实现步骤如下。步骤1，无线信道估计。无线网络中的三个节点A、B、C依次发出训练信号s，每个节点分别根据所接收的训练信号s估计出它与另外两个节点之间的信道响应，用于信道估计的方法包括最小二乘估计、最小均方误差估计以及直接将接收信号与已知训练信号相除的粗估计的方法等，本专利技术用的是直接将接收信号与已知训练信号相除的粗估计方法，但不限于该方法，其实现如下：(1a)第一通信节点A估计自己与协作节点B和第二通信节点C的信道响应：(1a1)第一通信节点A接收协作节点B发送的信号：sAB＝s·hAB，其中，hAB为第一通信节点A与协作节点B之间真实的信道响应；(1a2)第一通信节点A根据sAB和已知的训练信号s，估计出自己与协作节点B的信道响应(1a3)第一通信节点A接收第二通信节点C发送的信号：sAC＝s·hAC，其中，hAC为第一通信节点A与第二通信节点C之间真实的信道响应；(1a4)第一通信节点A根据sAC和已知的训练信号s，估计出自己与第二通信节点C的信道响应(1b)协作节点B估计自己与第一通信节点A和第二通信节点C的信道响应分别为和(1b1)协作节点B接收第一通信节点A发送的信号：sBA＝s·hBA，其中，hBA为协作节点B与第一通信节点A之间真实的信道响应；(1b2)协作节点B根据sBA和已知的训练信号s，估计出自己与第一通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种静态无线信道条件下点对点会话密钥的快速生成方法，包括：(1)无线信道估计：无线网络中的三个节点A、B、C依次发出训练信号s，每个节点分别根据所接收的信号估

【技术特征摘要】
1.一种静态无线信道条件下点对点会话密钥的快速生成方法，包括：(1)无线信道估计：无线网络中的三个节点A、B、C依次发出训练信号s，每个节点分别根据所接收的信号估计出它与另外两个节点之间的信道响应，其中第一通信节点A估计自己与协作节点B和第二通信节点C的信道响应分别为和协作节点B估计自己与第一通信节点A和第二通信节点C的信道响应分别为和(2)信道参数的安全传递与重构：(2a)协作节点B计算信道响应差分值：并通过公共信道将Δh发送出去；(2b)第一通信节点A估计协作节点B与第二通信节点C之间的信道响应重构值：(3)振幅调制参数的传递与重构：(3a)第一通信节点A产生M个独立同分布且取值为正的随机数，其中M为一个大于1的自然数，用这M个随机数构成第一通信节点A的振幅调制参数序列：α＝{α(1),α(2),α(3),...,α(i),...,α(M)}，其中，α(i)表示第一通信节点A的振幅调制参数序列α中的第i个振幅调制参数，i∈[1,M]；(3b)协作节点B产生M个独立同分布且取值为正的随机数，并用这M个随机数构成协作节点B的振幅调制参数序列：β＝{β(1),β(2),β(3),...,β(i),...,β(M)}，其中，β(i)表示协作节点B的振幅调制参数序列β中的第i个振幅调制参数；(3c)协作节点B计算振幅调制参数序列β的差分序列：Δβ＝{Δβ(1),Δβ(2),Δβ(3),...,Δβ(i),...,Δβ(M)}，并将差分序列Δβ通过公共信道发送出去，其中，第i个差分值Δβ(i)按照下式计算得到：(3d)第一通信节点A估计协作节点B的振幅调制序列β的重建值其中，第i个元素为(4)建立产生密钥的随机信源：(4a)第一通信节点A用自己的振幅调制参数序列α对训练信号s进行调制，得到第一调制信号；协作节点B用自己的振幅调制参数序列β对训练信号s进行调制，得到第二调制信号；将第一调制信号和第二调制信号同时发送出去；(4b)第二通信节点C将接收到的信号作为自己产生密钥的随机信源Yc：Yc＝α·s·hAC+β·s·hBC+nC，其中，hAC表示第一通信节点A与第二通信节点C之间的真实的信道响应值，hBC表示协作节点B与第二通信节点C之间的真实的信道响应值，nC表示第二通信节点C的观测噪声矢量，随机信源Yc是一个长度为M的矢量；(4c)第一通信节点A按照下式构造出自己产生密钥的随机信源YA：其中，nA表示第一通信节点A的观测噪声矢量，随机信源YA是一个长度为M的矢量；(5)生成会话密钥：第一通信节点A与第二通信节点C分别将各自产生密钥的随机信源YA和Yc进行量化编码，得到节点A量化码KA和节点C量化码Kc，并对节点A量化码KA和节点C量化码Kc进行信息协调，得到它们共享的会话密钥。2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(1)中第一通信节点A估计自己与协作节点B和第二通信节点C的信道响应，按照如下步骤进行：(1a)第一通信节点A接收协作节点B发送的信号：sAB＝s·hAB，其中，hAB为第一通信节点A与协作节点B之间真...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴莉莉，王营营，
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