一种军用无人机群无密钥管理中心的安全通信方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种军用无人机群无密钥管理中心的安全通信方法及系统，应用于军用无人机群自组织网络系统，所述军用无人机群自组织网络系统包括若干架无人机，每架无人机都配备传感器和处理器设备；该通信方法包括步骤如下：相关信息提取、量化、信息协商、隐私放大；通信系统包括随机数生成模块、信号发送模块、信号接收模块、信息处理模块和通信模块；本发明专利技术所公开的方法及系统可以提高合法无人机之间共享密钥的生成速率，实现“一次一密”的通信方案，进而保证军用无人机群自组织网络中信息交互的安全性。

A secure communication method and system for key management center of military UAV group

【技术实现步骤摘要】
一种军用无人机群无密钥管理中心的安全通信方法及系统
本专利技术涉及分布式自组网络中的数据加密
，特别涉及一种军用无人机群无密钥管理中心的安全通信方法及系统。
技术介绍
军用无人机(MilitaryUAV)是由遥控设备或自备程序进行控制操纵的不载人飞机。根据其控制方式，主要分为无线电遥控、自动程序控制和综合控制三种类型。无人机的诞生可以追溯到1914年第一次世界大战期间，英国军事航空学会提出研制一种通过无线电操纵的小型飞机，使它能够飞到敌方某一目标区上空，将事先装在小飞机上的炸弹投下去。近些年来随着高新技术在武器装备上的广泛应用，无人机的研制取得了突破性的进展，凭借其零伤亡、隐蔽性好、效费比高和机动性强等诸多优势，在多场局部战争中频频亮相，屡立战功，受到各国军界人士的高度赞誉。可以预言：在未来军事战场上，军用无人机将会重塑21世纪的作战模式。鉴于战场环境的动态性和不确定性，军用无人机的作战形式已逐渐由“单打独斗”式转为多设备、多平台的“集群合作”式。一方面，面对复杂的战场环境，单无人机生存能力有限，无法独立执行任务，而多个军用无人机构成的无人机群可以协同作战，能显著提高任务效率；另一方面，军用无人机群的智能化程度也不断提升，计算能力不断增强，存储能力不断提高，协同执行任务已然成为现实。而军用无人机之间的协同作战必然需要通过无线通信来完成信息的收集、交换、指挥等。军用无人机节点动态性强，容易被击落、捕获和损毁，加上无线链路的不稳定性和无人机群执行任务的特殊性，使得军用无人机群网络极易受到各类攻击和窃听的威胁。一旦网络中的保密内容被敌人窃取，造成的后果可能是毁灭性的，因此如何保障军用无人机网络通信的安全性与可靠性成为各国军事作战方面的研究重点，该问题的解决具有极大的现实意义和实用价值。军用无人机群网络在本质上是一种具有移动自组织性的无线传感器网络，因此对军用无人机网络通信安全的研究必然涉及移动自组网安全和无线网络安全，很多专家学者关于无人机网络安全的研究是基于移动节点网络模型，如华盛顿大学Gupta团队以及英国的Constantinides团队等。这些方案都是从现有的无线传感器网络或者移动自组网络中寻找到灵感，在原有理论基础上展开了进一步的研究；从信息理论安全角度着手的密钥管理方案也有不少，近些年有许多论文都在相关领域做了不少工作。针对无人机群的现有密钥管理方案主要分为两类：一部分研究者主张采用组密钥，即由多个协议参与方相互协作共同协商一个密钥。杜春来等提出了一种椭圆曲线域中基于双向身份认证的组密钥管理框架，使用门限系统增强了系统的稳定性；冯涛等介绍了一种轮数较少、组成员之间计算公平的组密钥管理方案；Fu等提出了基于集群的方式减少因节点变化导致需要更新组密钥的节点数，但簇头节点的计算量和通信量大。由于不能很好地解决节点变化带来的密钥更新问题，组密钥在应用上存在一定的局限性。另一部分研究者倾向于采用对密钥，即在单播通信中为通信双方提供身份验证的密钥。对比不同的对密钥管理方案，Singh等指出非对称密钥管理具有较高的安全性。Khalili等提出利用Shamir的(k,n)门限秘密分享思想实现CA的信任分布化的密钥管理思路，使用身份作为请求节点公钥，k个节点使用密钥份额合成请求节点私钥。可以发现，现有的针对军用无人机安全技术的研究基本上都是在考虑密钥管理和认证协议的问题。而对于缺少可信任的第三方密钥管理中心或者是密钥管理中心已被敌方控制情况下的分布式军用无人机网络通信安全问题，暂时还没有完整可行的方案。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种军用无人机群无密钥管理中心的安全通信方法及系统，通过实施这种基于共享密钥提取和分层编码处理的方法及系统，来提高合法无人机之间共享密钥的生成速率，实现“一次一密”的通信方案，进而保证军用无人机群自组织网络中信息交互的安全性。本方案核心思想是利用了无线信道这一天然密钥源，无线信道的短时互易性使得电磁信号在一定的时间周期内满足从A到B的信道响应和从B到A的信道响应相同，这为合法通信双方生成密钥的一致性提供了可能；同时无线信道的时空唯一性使得窃听信道与合法接收信道有着不同的信道特征，这也保证了密钥生成的安全性。为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种军用无人机群无密钥管理中心的安全通信方法，应用于军用无人机群自组织网络系统，所述军用无人机群自组织网络系统包括若干架无人机，每架无人机都配备传感器和处理器设备；该通信方法包括步骤如下：步骤一，相关信息提取：合法通信机通过无线信道发送和接收信号，合法通信双方从它们各自接收的信号中提取相关信息；步骤二，量化：合法通信双方将模拟的相关信息转化为比特序列，形成初始密钥；步骤三，信息协商：合法通信双方通过公共信道进行协商，对初始密钥进行处理，生成一致的密钥；步骤四，隐私放大：合法通信双方删除信息协商阶段泄露的信息并对密钥进行压缩，进一步提高密钥的随机性。上述方案中，所述步骤一的具体方法如下：A、无人机A和无人机B分别生成随机数信号和其中，T表示相干时隙，T0表示完成一次发送所需的时间；B、两架无人机通过无线信道轮流发送其生成的随机数；在这一过程中，假设无人机A首先以功率PA发送随机数xA1，无人机B接收到信号如下：YB1＝h0xA1+NB1，(Ⅰ)其中，h0表示无人机A与无人机B之间无线信道的信道增益，NB1表示无人机B处接收到的噪声；然后，无人机B以功率PB发送随机数xB1，无人机A接收到信号如下：YA1＝h0xB1+NA1，(Ⅲ)其中，h0表示无人机B与无人机A之间无线信道的信道增益，与式(Ⅰ)中h0相同，NA1表示无人机A处接收到的噪声；C、重复上述无人机B过程次直至相干时隙结束；无人机A获得的相关信息，如式(Ⅴ)所示：无人机B获得的相关信息，如式(VI)所示：最终，通信双方生成的理论密钥速率如式(Ⅶ)所示：其中，T表示相干时隙，即信道增益维持不变的时段，I(α；β)表示α与β两者之间的互信息量。进一步的技术方案中，所述步骤一中，还包括参与辅助通信的中继机通过无线信道发送和接收信号。上述方案中，所述步骤一的具体方法如下：(1)参与密钥生成的所有军用无人机各自生成随机数(2)各军用无人机通过无线信道轮流发送其生成的随机数；在这一过程中，假设军用无人机A首先以功率PA发送随机数xA，军用无人机B以及其他中继无人机Ri分别接收到信号如下：YB,A＝h0xA+NB,A，(1)式(1)中，h0表示无人机A与无人机B之间无线信道的信道增益，NB,A表示无人机B接收到的噪声；式(2)中，hi,A表示无人机A与无人机Ri之间无线信道的信道增益，表示无人机Ri处接收到的噪声，i＝1,2,...,N；然后，军用无人机B以功率PB发送随机数xB，军用无人机A以及其他中继无人机R本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种军用无人机群无密钥管理中心的安全通信方法，其特征在于，应用于军用无人机群自组织网络系统，所述军用无人机群自组织网络系统包括若干架无人机，每架无人机都配备传感器和处理器设备；该通信方法包括步骤如下：/n步骤一，相关信息提取：合法通信机通过无线信道发送和接收信号，合法通信双方从它们各自接收的信号中提取相关信息；/n步骤二，量化：合法通信双方将模拟的相关信息转化为比特序列，形成初始密钥；/n步骤三，信息协商：合法通信双方通过公共信道进行协商，对初始密钥进行处理，生成一致的密钥；/n步骤四，隐私放大：合法通信双方删除信息协商阶段泄露的信息并对密钥进行压缩，进一步提高密钥的随机性。/n

【技术特征摘要】
1.一种军用无人机群无密钥管理中心的安全通信方法，其特征在于，应用于军用无人机群自组织网络系统，所述军用无人机群自组织网络系统包括若干架无人机，每架无人机都配备传感器和处理器设备；该通信方法包括步骤如下：
步骤一，相关信息提取：合法通信机通过无线信道发送和接收信号，合法通信双方从它们各自接收的信号中提取相关信息；
步骤二，量化：合法通信双方将模拟的相关信息转化为比特序列，形成初始密钥；
步骤三，信息协商：合法通信双方通过公共信道进行协商，对初始密钥进行处理，生成一致的密钥；
步骤四，隐私放大：合法通信双方删除信息协商阶段泄露的信息并对密钥进行压缩，进一步提高密钥的随机性。


2.根据权利要求1所述的一种军用无人机群无密钥管理中心的安全通信方法，其特征在于，所述步骤一中，还包括参与辅助通信的中继机通过无线信道发送和接收信号。


3.根据权利要求1所述的一种军用无人机群无密钥管理中心的安全通信方法，其特征在于，所述步骤一的具体方法如下：
A、无人机A和无人机B分别生成随机数信号和
其中，T表示相干时隙，T0表示完成一次发送所需的时间；
B、两架无人机通过无线信道轮流发送其生成的随机数；
在这一过程中，假设无人机A首先以功率PA发送随机数xA1，无人机B接收到信号如下：
YB1＝h0xA1+NB1，(Ⅰ)
其中，h0表示无人机A与无人机B之间无线信道的信道增益，NB1表示无人机B处接收到的噪声；
然后，无人机B以功率PB发送随机数xB1，无人机A接收到信号如下：
YA1＝h0xB1+NA1，(Ⅲ)
其中，h0表示无人机B与无人机A之间无线信道的信道增益，与式(Ⅰ)中h0相同，NA1表示无人机A处接收到的噪声；
C、重复上述无人机B过程次直至相干时隙结束；
无人机A获得的相关信息，如式(Ⅴ)所示：



无人机B获得的相关信息，如式(VI)所示：



最终，通信双方生成的理论密钥速率如式(Ⅶ)所示：



其中，T表示相干时隙，即信道增益维持不变的时段，I(α；β)表示α与β两者之间的互信息量。


4.根据权利要求2所述的一种军用无人机群无密钥管理中心的安全通信方法，其特征在于，所述步骤一的具体方法如下：
(1)参与密钥生成的所有军用无人机各自生成随机数
(2)各军用无人机通过无线信道轮流发送其生成的随机数；
在这一过程中，假设军用无人机A首先以功率PA发送随机数xA，军用无人机B以及其他中继无人机Ri分别接收到信号如下：
YB,A＝h0xA+NB,A，(1)



式(1)中，h0表示无人机A与无人机B之间无线信道的信道增益，NB,A表示无人机B接收到的噪声；
式(2)中，hi,A表示无人机A与无人机Ri之间无线信道的信道增益，表示无人机Ri处接收到的噪声，i＝1,2,...,N；
然后，军用无人机B以功率PB发送随机数xB，军用无人机A以及其他中继无人机Ri分别接收到信号如下：
YA,B＝h0xB+NA,B，(3)



式(3)中，h0表示无人机B与无人机A之间无线信道的信道增益，NA,B表示无人机A接收到的噪声；
式(4)中，hi,B表示无人机B与无人机Ri之间无线信道的信道增益，表示无人机Ri处接收到的噪声，i＝1,2,...,N；
接下来...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊海良，王广渊，周洪超，胡昌武，麦珍珍，卞若晨，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37