基于信道密钥和标签信号的物理层身份认证方法技术

本发明专利技术是一种基于信道密钥和标签信号的物理层身份认证方法，所述的物理层身份认证方法分为信道密钥生成和标签信号嵌入两个方面，包括如下步骤：第一步：合法通信双方获取无线信道信息：第二步：合法通信双方根据获得的信道信息和生成初始密钥；第三步：合法通信双方对初始密钥I

【技术实现步骤摘要】
Division Multiplexing,OFDM)技术。在OFDM系统中，各个子载波之间保持着正交性，因此每一个载波都可以被看作独立的信道，这种正交性使得接收信号的每个子载波分量可以被表示为发射信号和子载波的信道频率响应的乘积。
[0010]本专利技术的技术方案包括如下步骤：
[0011]第一步：合法通信双方获取无线信道信息：当通信双方在相同的频率上工作时，若发送信号的时间间隔小于相关时间，则上行信道与下行信道的信道特征基本一致，即无线信道具有短时互易性；如果通信双方收发设备的硬件存在差异或者异频工作时，那么通信双方之间的无线信道不再具备互易性，因此需要改进信道信息的获取方法，促使合法通信双方即使在不具有互易性的无线信道上也能够获得相似的物理层信道信息；
[0012]第二步：合法通信双方根据获得的信道信息和生成初始密钥；在理想情况下，即信息交互时无线信道是静止的且不存在任何估计误差，不同时隙内估计得到的信道频率响应系数应保持不变，合法信息发送者获得的信道信息和合法信息接收者获得的信道信息是完全相等的；考虑到无线信道的时变属性和信道噪声的影响，实际情况中估计所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于信道密钥和标签信号的物理层身份认证方法，其特征在于，所述的物理层身份认证方法分为信道密钥生成和标签信号嵌入两个方面，包括如下步骤：第一步：合法通信双方获取无线信道信息：当通信双方在相同的频率上工作时，若发送信号的时间间隔小于相关时间，则上行信道与下行信道的信道特征基本一致，即无线信道具有短时互易性；如果通信双方收发设备的硬件存在差异或者异频工作时，那么通信双方之间的无线信道不再具备互易性，因此需要改进信道信息的获取方法，促使合法通信双方即使在不具有互易性的无线信道上也能够获得相似的物理层信道信息；第二步：合法通信双方根据获得的信道信息和生成初始密钥；在理想情况下，即信息交互时无线信道是静止的且不存在任何估计误差，不同时隙内估计得到的信道频率响应系数应保持不变，合法信息发送者获得的信道信息和合法信息接收者获得的信道信息是完全相等的；考虑到无线信道的时变属性和信道噪声的影响，实际情况中估计所得的与可能不完全一致，为了得到高度一致的对称密钥，采用二分图匹配的方法来进行初始密钥的生成；第三步：合法通信双方对初始密钥I
A
和I
B
进行一致性确认：由于合法通信双方进行生成的初始密钥I
A
和I
B
可能存在一定的匹配错误，需要经过一致性确认步骤确保通信双方得到完全一致的对称密钥；第四步：合法通信双方根据经一致性确认后的密钥I
′
A
和I
′
B
生成最终的对称密钥和其中L
K
表示密钥长度；由于一致性确认步骤中丢弃了部分初始密钥比特，合法通信双方需要通过伪随机序列来提升密钥生成速率，选择了Logistic映射来生成伪随机序列；第五步：合法通信双方开始进行消息传递：此过程中合法信息发送者将发送带有标签信号的消息，合法信息接收者通过提取标签来验证消息发送者的身份。2.根据权利要求1所述的基于信道密钥和标签信号的物理层身份认证方法，其特征在于，所述的第一步具体包括如下流程：步骤1.1，合法通信双方进行信道信息获取的准备工作，分别生成私密的导频信号和虚拟信道矩阵；步骤1.2，合法通信双方开始进行信息交互：信息交互共涉及到四个时隙的信号发送与接收，为了保障合法通信双方能够得到高度一致的信道信息，这四个时隙的信号发送与接收必须要在无线信道的相干时间内完成；1.2.1在第一时隙，合法信息发送者向合法信息接收者发送Z
A1
＝G
A
X
A
，其中表示虚拟信道矩阵，表示导频信号；合法信息接收者的接收信号Y
B1
表达式为：其中，表示第一时隙时合法信息发送者到合法信息接收者的信道频率响应，为信道噪声；
1.2.2在第二时隙，合法信息接收者向合法信息发送者发送Z
B1
＝G
B
X
B
，其中表示虚拟信道矩阵，表示导频信号；合法信息发送者的接收信号Y
A1
表达式为：其中，表示第二时隙时合法信息接收者到合法信息发送者的信道频率响应，为信道噪声；1.2.3在第三时隙，合法信息接收者向合法信息发送者发送Z
B2
＝G
B
Y
B1
，合法信息发送者的接收信号Y
A2
表达式为：其中，表示第三时隙时合法信息接收者到合法信息发送者的信道频率响应，为信道噪声；1.2.4在第四时隙，合法信息发送者向合法信息接收者发送Z
A2
＝G
A
Y
A1
，合法信息接收者的接收信号Y
B2
表达式为：其中，表示第四时隙时合法信息发送者到合法信息接收者的信道频率响应，为信道噪声；步骤1.3，合法通信双方进行信道信息的估计。3.根据权利要求2所述的基于信道密钥和标签信号的物理层身份认证方法，其特征在于，所述的步骤1.1主要操作如下：步骤1.1.1，合法信息发送者生成私密的导频信号和虚拟信道矩阵其中N表示OFDM系统中的子载波个数；此处的导频信号X
A
为块状导频，即OFDM系统所有子载波都被用作导频，导频序列由Walsh
‑
Hadamard矩阵生成；虚拟信道矩阵G
A
是对角矩阵，每个对角线元素看作一个子载波上虚拟的信道频率响应系数，每个系数是符合瑞利分布的随机数，其中n＝1,2,
…
,N；在该操作中，X
A
和G
A
仅对合法信息发送者是已知的，而对于合法信息接收者和无线网络中的其它用户均是保密的；步骤1.1.2，合法信息接收者生成私密的导频信号和虚拟信道矩阵其中N表示OFDM系统中的子载波个数，此处的导频信号X
B
和虚拟信道矩阵G
B
的
生成操作同步骤1.1.1中X
A
和G
A
的生成，其中G
B
的对角线元素是符合瑞利分布的随机数，其中n＝1,2,
…
,N；同样地，X
B
和G
B
仅对合法信息接收者是已知的，而对于合法信息发送者和无线网络中的其它用户均是保密的。4.根据权利要求2所述的基于信道密钥和标签信号的物理层身份认证方法，其特征在于，所述的步骤1.3主要操作如下：步骤1.3.1，合法信息发送者根据已知的导频信号X
A
和接收信号Y
A2
通过最小二乘法估计得到向量其中其中表示X
A
中一个子载波上的导频信号，表示Y
A2
中一个子载波上的接收信号；接收信号Y
A2
中的和均为对角矩阵，它们的对角线元素可以看作一个子载波上的信道频率响应系数，每个系数分别记为其中n＝1,2,
…
,N，N表示OFDM系统中的子载波个数；因此，也是对角矩阵，是其对角线元素的估计值；步骤1.3.2，合法信息发送者根据已知的导频信号X
B
和接收信号Y
B2
通过LS估计得到向量其中其中表示X
B
中一个子载波上的导频信号，表示Y
B2
中一个子载波上的接收信号；接收信号Y
B2
中的和均为对角矩阵，它们的对角线元素可以看作一个子载波上的信道频率响应系数，每个系数分别记为其中n＝1,2,
…
,N，N表示OFDM系统中的子载波个数；因此，也是对角矩阵，是其对角线元素的估计值。5.根据权利要求1所述的基于信道密钥和标签信号的物理层身份认证方法，其特征在于，所述的第二步包括如下流程：步骤2.1，合法通信双方分别对物理层信道信息和进行分段操作，和都将被分为M段，记为和其中和分别表示P
A
和P
B
中的第m段，m＝1,2,
…
,M；和的长度记为其中表示向下取整，若和的长度N不能够被M整除，则分段后的剩余位将被舍弃；此操作中，M的取值应为2的指数次方，从而保证生成密钥中0和1的出现频率近似相同；步骤2.2，合法信息发送者对P
A
进行随机重排列并将重排列结果发送给合法信息接受者，排列后的结果为其中ψ
m
∈[1,M]，此排列顺序Q
A
＝[ψ1,ψ2,
…
,ψ
M
]将被用于生成合法信息发送者的初始密钥；步骤2.3，合法信息接受者将根据接收到的合法信息发送者重排列的结果调整P
B
中的分段顺序，使得P
B
与P
′
A
具有相同的排列顺序，P
B
经顺序调整后的结果为排列顺序Q
B
＝[ψ
′1,ψ
′2,
…
,ψ
′
M
]将被用于生成合法信息接收者的初始密钥，合法信息接受者对接收信号进行信道均衡后可以得到合法信息发送者重排列的结果，记为随后，合法信息接受者要为P
B
中的每一段找到最接近的从而使得P
B
的排列顺序和P
′
A
相一致，其中i＝1,2,
…
,M，j＝1,2,
…
,M，对P
B
进行重排列的问题可
以转化为二分图匹配问题；和为二分图中的顶点，它们之间通过含有权重的边进行连接，权重的计算公式为其中||
·
||2表示欧氏距离，两个顶点之间权重值越大，意味着这两个顶点的距离越近，因此为了每一个顶点能够找到最接近的合法信息接收者可以用Kuhn
‑
Munkras方法来进行二分图匹配，该方法的目标是为每个顶点找到相关联的匹配边，并且使得二分图中的权重值最大。6.根据权利要求5所述的基于信道密钥和标签信号的物理层身份认证方法，其特征在于，所述的Kuhn
‑
Munkras方法的操作如下：步骤2.3.1，方法初始化，初始化操作如下：步骤2.3.1.1，初始化匹配向量，用一个大小为1
×
M的向量match来表示操作过程中的匹配情况，其中match[j]＝i表示顶点与顶点相匹配，其中i＝1,2,
…
,M，j＝1,2,
…
,M；初始时对于match[j]均为
‑
1，表示图中未建立任何匹配；步骤2.3.1.2，初始化顶点期望，Kuhn
‑
Munkras方法中所有顶点都有一个期望值，P
B
侧顶点的期望记为其初始值为每个顶点所连接的所有边中的权重最大值，即其中i＝1,2,
…
,M；侧的期望记为其初始值均为0，即其中i＝1,2,
…
,M，步骤2.3.1.3，初始化顶点标号i＝1；步骤2.3.2，对顶点采用深度优先搜索寻找匹配，用集合F
B

【专利技术属性】
技术研发人员：潘志文，邵旖洁，刘楠，尤肖虎，
申请(专利权)人：网络通信与安全紫金山实验室，
类型：发明
国别省市：