一种基于物理层密钥的联合交织加密方法技术

本发明专利技术公开了一种基于物理层密钥的联合交织加密方法，该方法的实施步骤包括：节点A和节点B就利用信道特征生成密钥，通过密钥协商使得双方密钥一致，经过分组和进制转换后，提取0、1、2、3在变换后的向量的位置组成位置向量，用于生成交织矩阵，节点A用交织矩阵与OFDM符号相乘来加密，节点B就将交织矩阵用于均衡器的设计，因为时分系统无线信道具有互易性，节点A与节点B就不再需要密钥交换，本发明专利技术与交织前需要先进行密钥交换的生成方案相比，不再需要通信双方进行密钥交换这个过程，具有更好的安全性能，交织在实现加密的同时，也提供分集增益，系统具有更好的误比特性。

A Joint Interleaved Encryption Method Based on Physical Layer Key

The invention discloses a joint interleaving encryption method based on physical layer keys. The implementation steps of the method include: node A and node B use channel characteristics to generate keys, through key agreement to make the two keys consistent, after grouping and process conversion, extract the position vectors of 0, 1, 2, 3 vectors after transformation to form position vectors for generating interleaving matrix, node A uses intersection. When the weaving matrix is multiplied by OFDM symbols to encrypt, node B uses the interleaving matrix for equalizer design. Because the wireless channel of time division system is reciprocal, node A and node B no longer need key exchange. Compared with the generation scheme that requires key exchange before interleaving, the present invention does not need the process of key exchange between the communicating parties any more and has better security performance. While implementing encryption, the system also provides diversity gain and has better BER performance.

【技术实现步骤摘要】
一种基于物理层密钥的联合交织加密方法
本专利技术涉及无线通信
，具体涉及一种基于物理层密钥的联合交织加密方法。
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。正交频分复用(OFDM)技术因其高频谱效率和抗多径干扰等诸多优点，在无线通信系统中得到广泛的使用。目前OFDM中交织方式主要分为频域交织(即在IFFT模块之前对数据进行交织)和时域交织(即在IFFT模块之后对数据进行交织)，例如ReliabilityandLatencyTrade-offiTimeDomianInterleavingforOFDMCommunicationSystem这篇文章所提出的就是在时域对OFDM符号进行交织，从而实现加密效果。但其存在对的不足就是用于生成交织矩阵的密钥，仍然需要在通信双方之间进行交换，这就增加了信息泄露的可能性，使得通信系统的安全性得不到的保障。
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，提供了一种基于物理层密钥的联合加密方法，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，然后用所产生的物理层密钥来生成交织矩阵，与交织前需要先进行密钥交换的生成方案相比，本专利技术不再需要通信双方进行密钥交换这个过程，避免了因通信双方彼此间进行密钥交换而造成的信息的泄露。一种基于物理层密钥的联合交织加密方法，该方法包括如下步骤：两个或两个以上的节点相互间发送探测信号；节点接收到探测信号后测量出幅度矢量和相位矢量；各节点根据各自的幅度矢量和相位矢量生成一致的密钥；根据密钥得出交织矩阵；通过交织矩阵对数据进行加密和解密。优选的，所述幅度矢量和相位矢量的测量方法为：节点A向节点B发送探测信号sa(t)，节点B向节点A发送探测信号sb(t)；节点B接收到信号为：yB(t)＝sa(t)*hAB+nB，节点A接收到信号为：yA(t)＝sb(t)*hBA+nA；经过多次发送与接收节点A和节点B分别测量出各自的信道相位矢量，表示为：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，hBA表示节点B发送探测信号时从节点B到节点A的信道所对应的信道增益，hAB表示节点A发送探测信号时从节点A到节点B的信道所对应的信道增益，nA、nB分别为节点A端和节点B端的加性高斯白噪声；节点A和节点B的信道幅度矢量分别用ra和rb表示。优选的，所述密钥的生成方法包括如下步骤：通过对ra，rb和θa，θb的量化生成初始物理层密钥KEYa和KEYb；再通过无线物理层密钥协商技术对KEYa和KEYb进行协商，使得节点A和节点B双方产生的密钥达到一致，即KEYa等于KEYb。优选的，所述交织矩阵的获得方法包括如下步骤：节点A把KEYa按2比特一组进行分组sa，通过进制转换把sa转换成只包含十进制数0、1、2、3的向量Sa；找出0、1、2、3在向量Sa中的位置，产生0、1、2、3的位置向量Position0_a、Position1_a、Position2_a、Position3_a；再把0、1、2、3的位置向量按照Position0_a、Position1_a、Position2_a、Position3_a这样的排列顺序组合成一个新的向量作为最终交织后的数据的位置向量即为交织矩阵；通过相同方式生成其它节点的交织矩阵。优选的，所述数据加密的方法包括如下步骤：在发送端，数据经过IFFT模块后乘以交织矩阵进行交织，添加循环前缀后通过天线进行发送。优选的，所述数据解密的方法包括如下步骤：在接收端，先把接收的数据去循环前缀，再通过FFT模块，然后经过频域均衡，实现对数据解交织解密得到发送的数据。本专利技术的优点在于：该方法充分利用了信道的特性，与交织前需要先进行密钥交换的生成方案相比，本专利技术不再需要通信双方进行密钥交换这个过程，避免了因通信双方彼此间进行密钥交换而造成的信息的泄露；本专利技术利用物理层密钥的随机性产生交织矩阵，因此交织矩阵也具有随机性，减低的密钥被破解的可能性，使系统的加密性能更好。附图说明图1为本专利技术中节点A的加密交织矩阵生成的示意图。图2为本专利技术中物理层无线窃听系统的示意图。图3为本专利技术的系统结构图。图4为本专利技术中用户以1m/s的速度移动时与无交织的误码率比较。图5为本专利技术的用户以20m/s的速度移动时与无交织的误码率比较。具体实施方式为使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本专利技术。如图1至图5所示，一种基于物理层密钥的联合交织加密方法，该方法对于慢变信道与快变信道均适用，将产生的物理层密钥进行密钥协商，使得通信双方用于生产交织矩阵的密钥一致，再将密钥每两比特划分为一组后转换为十进制数，最终得到位置向量，用于生成交织矩阵，根据不同的位置向量产生不同的交织矩阵，对通信系统的性能的影响也不同。方法流程：本专利技术的节点A向节点B发送探测信号，节点B接收到信号后，并用它来测量信道特征，接着向节点A发送数据包，节点A接收并测量。多个来回后，得到信道幅度和相位矢量，通过特定量化方法生成物理层密钥，协商后节点A与节点B的相同密钥。本专利技术将合法通信双方生成的物理层密钥用来产生交织矩阵，根据位置向量的不同生成不同交织矩阵，节点A和节点B分别根据自己产生的交织矩阵对数据进行加密和解密。具体包括如下步骤：步骤1：节点A向节点B发送探测信号sa(t)，节点B接收的信号yB(t)＝sa(t)*hAB+nB，测量出信道幅度r和θ，同样节点B接着向节点A发送探测信号，节点A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；通过对ra，rb和θa，θb的量化生成初始物理层密钥KEYa和KEYb，再通过无线物理层密钥协商技术对KEYa和KEYb进行协商，使得节点A和节点B双方产生的密钥达到一致，即KEYa等于KEYb，无线物理层协商技术是利用信息调和、一致性认证、保密增强等技术提高通信双方生成密钥的一致性；步骤2：节点A把KEYa按2比特一组进行分组sa，通过进制转换把sa转换成只包含十进制数0、1、2、3的向量Sa，找出0、1、2、3在向量Sa中的位置产生0、1、2、3的位置向量Position0_a、Position1_a、Position2_本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于物理层密钥的联合交织加密方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：两个及以上的节点相互间发送探测信号；节点接收到探测信号后测量出幅度矢量和相位矢量；各节点根据各自的幅度矢量和相位矢量生成一致的密钥；根据密钥得出交织矩阵；通过交织矩阵对数据进行加密和解密。

【技术特征摘要】
1.一种基于物理层密钥的联合交织加密方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：两个及以上的节点相互间发送探测信号；节点接收到探测信号后测量出幅度矢量和相位矢量；各节点根据各自的幅度矢量和相位矢量生成一致的密钥；根据密钥得出交织矩阵；通过交织矩阵对数据进行加密和解密。2.根据权利要求1所述的一种基于物理层密钥的联合交织加密方法，其特征在于：所述幅度矢量和相位矢量的测量方法为：节点A向节点B发送探测信号sa(t)，节点B向节点A发送探测信号sb(t)；节点B接收到信号为：yB(t)＝sa(t)*hAB+nB，节点A接收到信号为：yA(t)＝sb(t)*hBA+nA；经过多次发送与接收节点A和节点B分别测量出各自的信道相位矢量，表示为：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，hBA表示节点B发送探测信号时从节点B到节点A的信道所对应的信道增益，hAB表示节点A发送探测信号时从节点A到节点B的信道所对应的信道增益，nA、nB分别为节点A端和节点B端的加性高斯白噪声；节点A和节点B的信道幅度矢量分别用ra和rb表示。3.根据权利要求2所述的一种基于物理层密钥的联合交织加密方法，其特征在于：所述密钥的生成方法包括如下步骤：通过对r...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯晓赟，张永伟，凌捷，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32