一种基于水声信道空时特征的水下通信密钥生成方法技术

本发明专利技术涉及一种基于水声信道空时特征的水下通信密钥生成方法，包括下列的步骤：两个希望建立安全通信链路的合法节点被部署在水域中，它们依次向对方发送一个相同的信道探头，通过探头交互获得双向信道的信道信息；在每次探测过程中，会进行多次探头交互以使得生成的密钥比特达到所需的数量；预处理：每个节点对接收到的数据进行基于最小二乘的信道估计，以获得原始

【技术实现步骤摘要】
一种基于水声信道空时特征的水下通信密钥生成方法


[0001]本专利技术属于水声通信数字信号处理
，涉及一种密钥生成方法
。

技术介绍

[0002]开放的水声信道使得水声网络的安全存在隐患，基于物理层信息的加密技术是有效的解决办法
。
虽然在无线网络中基于物理层信息的加密技术层出不穷，但由于水下节点通信能力较低，能量有限；同时，由于窄频段
、
高时延
、
强多径
、
严重多普勒效应的恶劣水声信道条件，无线通信中的相关安全机制难以直接移植于水下网络中
。
因此，需要一种针对水下环境的应用场景和水声信道特点的物理层密钥生成方法，以增强水声网络的信息安全
。
[0003]基于物理层信息的密钥生成技术利用信道的互易性，使得合法用户从信道本身各自提取原始密钥，而无需额外的密钥管理设备或者在信道中共享密钥
。
然后，通过特征量化
、
密钥协调和隐私放大等过程，生成最终的对称密钥
。
信道互易性使得它们各自的原始密钥已经具有较高的匹配度，进而实现基于对称加密算法的加密通信
。
然而，在水下环境中实现该技术面临许多无线网络中所没有的挑战
。
首先，水声信道不一定遵循完全的互易特性，双向信道具有的探测时间差对互易性的影响程度也未可知
。
其次，常用的提取信道特征的参数如接收信号强度
(RSS)、
信道频率响应
(CFR)
和信道冲激响应
(CIR)
等，由于多种原因而不能直接应用于水下
。
此外，系统能耗
、
节点生命周期等也是水声网络中不得不考虑的实际因素，这关系到算法的复杂度
。
针对上述问题，本专利技术提出了一种基于水声信道空时特征的水下通信密钥生成技术，可以应用于水下场景中
。
它利用水声信道的空时特征作为密钥来源，以此生成具有较高匹配率的原始密钥比特
。

技术实现思路

[0004]为了实现上述提出的应用于水下场景中的密钥生成技术，本专利技术提供了一种提取水声信道空时特征以在水下通信中生成密钥的方法
。
该方法不直接使用包含信道信息的
CIR
测量值，而是根据水声信道的空时特征从中提取有效的抽头
。
提取的关键是联合抽头的幅度信息和时延信息，被提取的抽头包括体现信道空间特性的主要路径
F0以及体现信道时变特征的随机路径
F1。
最后，对主要路径
F0和随机路径
F1分别采用均匀量化和等概率量化，得到原始密钥比特
。
技术方案如下：
[0005]一种基于水声信道空时特征的水下通信密钥生成方法，包括下列的步骤：
[0006](1)
两个希望建立安全通信链路的合法节点被部署在水域中，它们依次向对方发送一个相同的信道探头，通过探头交互获得双向信道的信道信息；在每次探测过程中，会进行多次探头交互以使得生成的密钥比特达到所需的数量；密钥生成方法在所有合法节点中是公开的，但每个合法节点独立运行密钥生成算法，生成各自的原始密钥；
[0007](2)
预处理：每个节点对接收到的数据进行基于最小二乘的信道估计，以获得原始
CIR
测量值；然后进行归一化处理，以消除量纲不一致带来的影响；
[0008](3)
每个节点独立进行特征提取，该过程分为两步，分别为主要路径
F0
的提取和随
机路径
F1
的提取，对特征提取进行参数初始化；
[0009](4)
提取特征，方法如下：
[0010]对于主要路径
F0
，根据设定的第一时延差，在提取范围内筛选局部峰，得到数个抽头组成的集合；对这些抽头按照幅值大小进行排序，选择幅值较大的靠前的抽头作为主要路径
F0
；
[0011]对于随机路径
F1
，设定第二时延差，根据主要路径
F0
划定随机路径
F1
的提取范围，在提取范围内依据所设定的第二时延差和幅值大小筛选一定数量的有效抽头，生成随机路径
F1
；
[0012](5)
量化；对主要路径
F0
和随机路径
F1
分别采用均匀量化和等概率量化，最终得到原始密钥比特
。
[0013]进一步地，参数初始化的方法为：每个节点独立地观察探测所获得的
CIR
原始测量值，关注多径的数量以及多径的时延差，作为设定参数的依据；以到达的幅值最大的抽头作为基准，确定
F0的提取范围
。
[0014]本专利技术提出的基于水声信道空时特征的水下通信密钥生成方法，从
CIR
测量值中联合抽头的幅值与时延信息，提取包含水声信道空时特征的有效抽头
(
主要路径
F0和随机路径
F1)
，然后采用均匀量化与等概率量化生成原始密钥比特
。
在复杂的水下环境中，实现了水声信道特征提取，并以此生成具有较高的密钥匹配率的原始密钥
。
附图说明
[0015]图1是基于水声信道空时特征的水下通信密钥生成算法流程示意图
。
[0016]图2是从双向信道中提取得到的主要特征和随机特征的示例
。
具体实施方式
[0017]下面结合附图对本专利技术进行说明
。
[0018]本专利技术提出的基于水声信道空时特征的水下通信密钥生成方法，综合考虑水声信道特征的空间与时变特征，从
CIR
原始测量值中提取有效抽头作为生成密钥的来源，在水下环境中实现了基于物理层的密钥生成技术
。
该密钥生成方法利用水声信道空时特征，实现了密钥的生成，并且具有较高的密钥匹配率
。
[0019]以两个节点
A
和
B
组成的系统为例，节点
A
向节点
B
发送探头信号
X
，节点
B
正确接收后立马回复一个相同的探头信号
X
，经过数次交互后完成信道探测过程
。
两个节点对接收到的来自对方的探测信号进行信道估计，得到原始
CIR
测量值
。
然后独立地执行密钥生成算法，获得各自的原始密钥
。
信道互易性使得它们独立获得的密钥具有较高的匹配度，可以通过后续的处理进而作为对称密钥
。
信道特征选择和提取以及量化过程，会影响两个节点处生成的密钥之间的比特匹配率
。
[0020]本专利技术的具体操作流程如下：
[0021]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于水声信道空时特征的水下通信密钥生成方法，包括下列的步骤：
(1)
两个希望建立安全通信链路的合法节点被部署在水域中，它们依次向对方发送一个相同的信道探头，通过探头交互获得双向信道的信道信息；在每次探测过程中，会进行多次探头交互以使得生成的密钥比特达到所需的数量；密钥生成方法在所有合法节点中是公开的，但每个合法节点独立运行密钥生成算法，生成各自的原始密钥；
(2)
预处理：每个节点对接收到的数据进行基于最小二乘的信道估计，以获得原始
CIR
测量值；然后进行归一化处理，以消除量纲不一致带来的影响；
(3)
每个节点独立进行特征提取，该过程分为两步，分别为主要路径
F0
的提取和随机路径
F1
的提取，对特征提取进行参数初始化；
(4)
提取特征，方法如下：对于主要路径
F0
，根据设定的第一时延差，在...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏毅珊，潘攀，范榕，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：