一种基于联合干扰的物理层协作群组密钥生成方法技术

本发明专利技术涉及一种基于联合干扰的物理层协作群组密钥生成方法，属于物联网安全领域，包括信道估计和密钥协商两个阶段：所述信道估计，在信道估计阶段，群组用户获得各自的中继信道信息，且中继节点获得关于参考信道与其它中继信道的叠加态信息；在密钥协商阶段，群组用户利用对参考信道的相关观测信息协商生成对中继节点保密的群组密钥。本发明专利技术可以实现高效、低成本的群组密钥生成，并具有很高的安全性，特别适用于无人机通信等星型网络场景。特别适用于无人机通信等星型网络场景。特别适用于无人机通信等星型网络场景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于联合干扰的物理层协作群组密钥生成方法


[0001]本专利技术属于物联网安全领域，涉及一种基于联合干扰的物理层协作群组密钥生成方法。

技术介绍

[0002]随着物联网技术的迅猛发展，无线设备已经成为人们日常工作和生活中必不可少的工具，它们正在通过无线网络实现更广泛、更快速的信息共享和数据传输。然而，随着无线设备的广泛应用，它们所面临安全威胁和和风险也日益突出，这已经成为制约其发展的一个关键因素。传统密钥加密机制的安全性主要取决于破解密钥算法的计算复杂度，这对于许多低能耗、低计算能力的无线终端和设备(例如嵌入式传感器、可穿戴设备等)是不可行的。为保证这些资源受限设备的无线通信安全，研究轻量级的物理层密钥生成技术具有重要意义。
[0003]物理层密钥生成技术基于信息论安全，利用无线信道的特性，能够实现与窃听者计算能力无关的理论安全。相对于传统加密技术，物理层密钥生成技术具备计算复杂度低、理论安全性高等优点，因此在当前的信息安全领域中备受关注和研究。然而，目前大多数研究都是针对两个合法用户之间的点对点密钥生成，但在许多物联网应用中，存在多个设备之间的信息共享和通信需求，物联网设备之间的公共密钥生成尤为重要。例如，在智能家居应用中，需要将室内环境监控信息共享给多个自动化家用电器，同时还需要实现群组通信以支持语音交互、远程控制等功能。群组通信不是点对点通信的简单扩展，在多用户网络中生成密钥更加复杂，也更具有挑战性。
[0004]目前的群组密钥生成研究中通常先在群组用户之间生成成对密钥，再利用这些成对密钥来进行群组密钥协商，但这存在大量资源消耗的问题。因此，研究面向多种物联网设备的高效、低成本的物理层组密钥生成变得尤为关键和必要。此外，这些无线设备可能不在彼此的通信范围内，我们可以采用中继节点辅助等手段来解决该问题(如图2所示)，此时无线设备与中继节点共同构成星型网络。然而，中继节点作为星型网络的中心节点，具有较高的风险和威胁，因此需要保证生成的密钥对中继节点的保密。星型网络的一个典型应用场景就是无人机通信，每个无人机都连接到基站或控制台，但基站或控制台可能会遭到攻击或破坏，因此也需要保证传输的数据对基站或控制台的保密性。
[0005]综上所述，在星型网络中，如何在确保中心节点的机密性的前提下，实现高效、低成本的群组密钥生成，并提升群组密钥速率，是该领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术的目的在于针对多个物联网设备之间存在信息共享和通信需求的情况，提供一种基于联合干扰的物理层协作群组密钥生成方法。
[0007]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]一种基于联合干扰的物理层协作群组密钥生成方法，包括信道估计和密钥协商两
个阶段：在信道估计阶段，群组用户获得各自的中继信道信息，且中继节点获得关于参考信道与其它中继信道的叠加态信息；在密钥协商阶段，群组用户利用对参考信道的相关观测信息协商生成对中继节点保密的群组密钥。
[0009]进一步，所述群组用户中包含3个合法用户Alice、Bob、Carlo；
[0010]在所述信道估计阶段，在T1时隙，中继节点Relay发送训练序列S1使合法用户Alice、Bob和Carlo获得各自对中继信道的估计值；在T2时隙，合法用户Alice和Bob同时发送训练序列S2使中继节点Relay获得关于中继信道h1和h2的叠加态信息；在T3时隙，合法用户Alice和Carlo同时发送训练序列S3使中继节点Relay获得关于中继信道h1和h3的叠加态信息；
[0011]在所述密钥协商阶段，中继节点Relay先利用自身的观测信息生成辅助信息来提升组内合法用户的共同信息；合法用户Alice再利用对参考信道h1的观测信息生成辅助信息使组内合法用户协商生成群组密钥。
[0012]进一步，所述信道估计阶段中，在T1时隙，中继节点Relay发送训练序列S1使合法用户Alice、Bob和Carlo获得各自对中继信道的估计值，具体包括：合法用户Alice得到对h1的估计值合法用户Bob得到对h2的估计值合法用户Carlo得到对h3的估计值
[0013][0014][0015][0016]其中h1，h2，h3分别表示Relay与合法用户Alice、Bob、Carlo之间的信道增益；Y
A
，Y
B
，Y
C
分别为合法用户Alice、Bob和Carlo接收到的信号；Ν
A
，N
B
，Ν
C
为合法用户Alice、Bob、Carlo处的加性高斯白噪声；S1为中继节点Relay在T1时隙发送的训练序列，()
T
表示向量或矩阵的转置。
[0017]进一步，所述信道估计阶段中，在T2时隙，合法用户Alice和Bob同时发送训练序列S2使中继节点Relay获得关于中继信道h1和h2的叠加态信息，此时中继节点Relay得到估计值
[0018][0019]其中，为中继节点Relay在T2时隙接收到的信号；为T2时隙下中继节点Relay的加性高斯白噪声；S2为合法用户Alice和Bob在T2时隙发送的训练序列。
[0020]进一步，所述信道估计阶段中，在T3时隙，合法用户Alice和Carlo同时发送训练序列S3使中继节点Relay获得关于中继信道h1和h3的叠加态信息，此时中继节点Relay得到估计值
[0021][0022]其中为中继节点Relay在T3时隙接收到的信号；为T3时隙下Relay的加性高斯白噪声；S3为合法用户Alice和Carlo在T3时隙发送的训练序列。
[0023]进一步，所述密钥协商阶段中，中继节点Relay先利用自身的信道估计值生成辅助信息并通过公共信道传输，使合法用户Alice、Bob和Carlo获得关于参考信道h1的相关观测值然后合法用户Alice采用Slepian
‑
Wolf编码，利用发送辅助信息并通过公共信道传输，使合法用户Alice、Bob和Carlo协商生成一个群组密钥。
[0024]本专利技术的有益效果在于：本专利技术可以实现高效、低成本的群组密钥生成，并具有很高的安全性，特别适用于无人机通信等星型网络场景。
[0025]本专利技术的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本专利技术的实践中得到教导。本专利技术的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0026]为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作优选的详细描述，其中：
[0027]图1为群组密钥生成流程图；
[0028]图2为N节点系统模型；
[0029]图3为三节点系统模型；
[0030]图4为各节点发送训练序列的时隙分配图；
[0031]图5为密钥速本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于联合干扰的物理层协作群组密钥生成方法，其特征在于：包括信道估计和密钥协商两个阶段：在信道估计阶段，群组用户获得各自的中继信道信息，且中继节点获得关于参考信道与其它中继信道的叠加态信息；在密钥协商阶段，群组用户利用对参考信道的相关观测信息协商生成对中继节点保密的群组密钥。2.根据权利要求1所述的基于联合干扰的物理层协作群组密钥生成方法，其特征在于：所述群组用户中包含3个合法用户Alice、Bob、Carlo；在所述信道估计阶段，在T1时隙，中继节点Relay发送训练序列S1使合法用户Alice、Bob和Carlo获得各自对中继信道的估计值；在T2时隙，合法用户Alice和Bob同时发送训练序列S2使中继节点Relay获得关于中继信道h1和h2的叠加态信息；在T3时隙，合法用户Alice和Carlo同时发送训练序列S3使中继节点Relay获得关于中继信道h1和h3的叠加态信息；在所述密钥协商阶段，中继节点Relay先利用自身的观测信息生成辅助信息来提升组内合法用户的共同信息；合法用户Alice再利用对参考信道h1的观测信息生成辅助信息使组内合法用户协商生成群组密钥。3.根据权利要求2所述的基于联合干扰的物理层协作群组密钥生成方法，其特征在于：所述信道估计阶段中，在T1时隙，中继节点Relay发送训练序列S1使合法用户Alice、Bob和Carlo获得各自对中继信道的估计值，具体包括：合法用户Alice得到对h1的估计值合法用户Bob得到对h2的估计值合法用户Carlo得到对h3的估计值的估计值的估计值的估计值其中h1，h2，h3分别表示Relay与合法用户Alice、Bob、Carlo之间的信道增益；Y
A
，Y
B
，Y
C
分别为合法用户Alice、Bob和Carlo接收到的信号；Ν
...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐鹏，杨俊，陈高洁，黎勇，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：