基于信道状态信息的水声物理层密钥生成技术制造技术

本发明专利技术设计了一种适用于水声信道的物理层密钥生成技术，基于信道状态信息的水声物理层密钥生成技术，该密钥生成技术设计主要包括下列步骤：水声信道状态感知，对水声信道中的信道状态信息进行测量估计；进一步对感知后的测量值进行特征量化，得到初始密钥；最后，对初始密钥进行密钥协商，将不一致的密钥序列协商纠错，保证最后的密钥高度一致。保证最后的密钥高度一致。

【技术实现步骤摘要】
基于信道状态信息的水声物理层密钥生成技术


[0001]本专利技术属于水声网络通信
，涉及一种基于信道状态信息的水声物理层密钥生成技术。

技术介绍

[0002]近年来，随着各沿海国对开发海洋资源、维护国家海洋权益的日益重视，水声物理层密钥生成技术的理论研究及应用得到越来越多的关注。但是与传统陆地无线物理层密钥生成技术不同，水声物理层密钥生成技术是指合法通信节点在水下以声波为载体，以海水为传播介质进行密钥传输，因此，其信号传播环境非常复杂，通常会出现多径效应和多普勒效应，增加了通信节点数据传输的不确定性，还容易受到各种恶意攻击，这导致水声物理层密钥生成技术的设计面临着巨大的困难。水声物理层密钥生成技术是水下网络通信中特别重要的一部分，它允许在有窃听节点的情况下进行安全通信。传统的水声物理层密钥生成技术大多假设处于较为理想的情况下生成的，只是将一些传统的密钥生成技术应用于水下环境，没有考虑水声传播速度较低的特性，使得传播时延较大，会导致通信双方的测量值之间相干性非常低。另外大多没有考虑多普勒效应，忽略了物体的移动，但实际的应用场景往往都是动态变化的，如水下AUV的通信，而多普勒频移会破坏系统中子载波的正交性，以至于系统不能正常进行工作，使得水声物理层密钥生成技术的误码率非常高。并且很少讨论生成密钥的随机性，实际的水声物理层密钥生成技术必须要保证生成密钥的随机性足够强，否则窃听者可以根据密钥比特的规律猜测出密钥，无法保证密钥的安全性能。针对这些问题，本专利技术在信道状态感知过程中合法节点发送完一个探测信号后等待一个符号周期在发送下一个符号，提高了测量的时间间隔，并随机加入导频信号，使得生成密钥的随机性在信道环境变化非常缓慢的情况下也可以得到保证，并且在密钥协商过程中，使用交织技术使数据顺序随机化，增强了密钥生成的随机性。另外，为了解决由于传播时延较大和多普勒效应而导致的误码率问题，在特征量化阶段，提出了一个双层补偿K均值聚类量化算法，将信道状态感知后的样本值聚类到对方合法节点的量化域附近，降低了水声物理层生成密钥的误码率。

技术实现思路

[0003]为了解决水下场景中复杂的多普勒效应和多径效应导致的高误码率问题以及传播时延较大导致的互易性受损问题和密钥安全问题，本专利技术提供了一种基于信道状态信息的水声物理层密钥生成技术，当合法节点进行信道探测时添加随机信号，即使在信道环境变化极其缓慢的情况下也可以保证生成密钥的随机性，紧接着，通过双层补偿K均值聚类量化方案将感知后的样本值聚类到合法节点量化域附近范围内进行特征量化，降低密钥的误码率，最后通过卷积编码加交织的纠错编码技术将不一致的密钥序列协商纠错，提高密钥的一致性。技术方案如下：基于信道状态信息的水声物理层密钥生成技术，包括下列步骤：
（1）信道状态感知：在时分双工工作模式下，水下节点A与节点B生成一个公开导频信号，节点A生成随机信号和，节点B生成随机信号。以第i轮信道状态感知为例，在时刻，节点A生成一个探测信号，并发送给节点B。节点B接收到信号后，将奇数行合并为,偶数行合并为，并将偶数行进行最小均方根误差估计得到节点B第一阶段的估计值；节点B在下一个时隙向节点A发送，节点A接收到的信号为接收，然后立刻发送确认信号ACK，并将奇数行合并为，偶数行合并为，根据奇数行与公开导频信号进行估计可以得到中间变量。根据中间变量，节点A的随机信号、以及节点A接收到的偶数行，可以进行最小均方根误差估计得到节点A在第一阶段估计值。
[0004]（2）特征量化：经过信道状态感知后，水下节点A和节点B分别得到样本值和,节点A随机选择K个初始聚类中心，其中，并计算各个样本值与聚类中心的差值（其中是离最近的中心），然后将聚类中心和距离差值发送给节点B；节点B收到节点A发过来的聚类中心和差值后计算出补偿后的样本值，其中（第一次补偿），节点B根据节点 A发送的聚类中心分配新的样本值，并生成新的聚类中心，接着计算补偿后的样本值与新聚类中心的差值，并将其发送给节点A。节点A收到后对补偿后差值和聚类中心和再次计算，重新分配新的样本值（第二次补偿）。节点A和节点B对所有的样本值进行特征量化得到初始密钥；（3）密钥协商：经过量化后的初始密钥中仍然存在对应位置比特不一致的情况，通过公开交互协商信息使合法节点A和合法节点B获得完全一致的密钥。首先双方节点利用哈希函数构造一元高阶多项式进行身份验证，核对对方节点的身份，验证成功后合法节点使用会话密钥进行协商纠错；经过身份认证后的会话密钥用作安全编码和卷积码进行编码的源，其中，输入信息经过带交织块和不带交织块的递归系统卷积(RSC)编码器，得到的卷积比特经过删余器得到所需的码率，该控制器为交织和删余提供自适应安全编码，会话密钥被作为控制器的源。此时拥有密钥的合法节点才能正确的区分奇偶校验位，奇偶校验位是随机删除的，只有拥有正确密钥的合法接收节点才能正确解码，密钥安全性得到保证。
具体实施方案
[0005]本专利技术提供了一种基于信道状态信息的水声物理层密钥生成技术，在复杂的水声信道中，合法节点在信道状态感知过程中添加随机信号，然后对探测值进行信道估计得到样本值，再通过双层补偿K均值聚类量化方案将感知后的样本值聚类到双方节点量化域附近范围内，进行特征量化，得到初始密钥，最后通过卷积编码加交织的纠错编码技术将不一
致的密钥序列进行协商纠错，降低了密钥的误码率，提高了密钥的安全性能。
[0006]提出的水声物理层密钥生成技术主要针对点对点的系统模型，系统模型由两个合法节点以及一个窃听节点构成，合法节点通过互相发送探测信号对合法水声信道进行信道估计，并基于各自的信道估计提取出一对共享密钥。窃听节点E试图通过窃听合法双方的通信内容恢复出合法节点之间的共享密钥。其中，节点B是数据收集中心，节点A是一个自动水下航行器，收集数据样本并发送给节点B，节点E通过窃听合法节点之间的传输信息的水下机器人。本专利技术的具体操作流程如下：（1）信道状态感知：节点A和节点B生成一个公开导频信号P，同时节点A生成两个随机信号M
A
和V
A
，节点B生成一个随机信号V
B
。以第i轮信道状态感知为例，在时刻，节点A生成一个探测信号，并将发送给节点B，然后等待一个导频符号周期（确保节点B有足够时间发送信号），重复n次,其中f表示频率；节点B接收到信号后，将奇数行合并为,偶数行合并为，并将偶数行进行最小二乘估计和最小均方根误差估计得到节点B第一阶段的估计值。。。
[0007]节点B在下一个时隙向节点A发送，重复n次,其中,为时隙间隔。则节点A接收到的信号为接收，然后立刻发送确认信号ACK，并将奇数行合并为，偶数行合并为，根据奇数行与公开导频信号进行最小二乘估计可以得到中间变量。。。
[0008]由于相邻子载波之间的间隔很小，相干性很大，故，根据中间变量，节点A的随机变量、以及节点A接收到的偶数行，可以进行最小二乘估计和最小均方根误差估计得到节点A在第一阶段估计值。
[0009]由于子载波之间的相干性，通信双方的测量值近似本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于信道状态信息的水声物理层密钥生成技术，包括下列步骤：（1）信道状态感知：在时分双工工作模式下，水下节点A与节点B生成一个公开导频信号，节点A生成随机信号和，节点B生成随机信号；以第i轮信道状态感知为例，在时刻，节点A生成一个探测信号，并发送给节点B；节点B接收到信号后，将奇数行合并为,偶数行合并为，并将偶数行进行最小均方根误差估计得到节点B第一阶段的估计值；节点B在下一个时隙向节点A发送，节点A接收到的信号为接收，然后立刻发送确认信号ACK，并将奇数行合并为，偶数行合并为，根据奇数行与公开导频信号进行估计可以得到中间变量；根据中间变量，节点A的随机信号、以及节点A接收到的偶数行，可以进行最小均方根误差估计得到节点A在第一阶段估计值；（2）特征量化：经过信道状态感知后，水下节点A和节点B分别得到样本值和,节点A随机选择K个初始聚类中心，其中，并计算各个样本值与聚类中心的差值（其中是离最近的中心），然后将聚类中心和距离差值发送给节点B；节点B收到节点A发过来的聚类中心和差值后计算出补偿后的样本值，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：羊秋玲，赵欣伟，陈佳男，黄喜文，李鹏程，陈超，
申请(专利权)人：海南大学，
类型：发明
国别省市：