基于无线信道特征提取的密钥生成技术研究

作     者：周百鹏 

作者单位：解放军信息工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄开枝

授予年度：2011年

学科分类：11[军事学] 1105[军事学-军队指挥学] 0839[工学-网络空间安全] 08[工学] 110505[军事学-密码学] 110503[军事学-军事通信学] 

主      题：物理层安全 信道互易性 密钥生成 密钥一致性 哈希函数 矢量量化 

摘      要：提取无线信道物理特征生成密钥,是保障无线通信安全的一种新思路。在时分双工(TDD)系统中,通信双方基于信道互易原理,提取具有一致性的上下行信道特征,通过实时独立地生成密钥,从而避免密钥的传输,达到通信安全的目的。但在实际应用中,该方法存在以下三个主要问题:(1)由于无线信道的快速时变性,双向信道估计的一致性难以保证;(2)现有密钥生成方案不能很好的适用于宽带系统;(3)现有方案无法在保证高速生成密钥的同时,确保密钥生成的高一致性。因此,本文针对基于信道特征提取的密钥生成技术展开了专门研究。 本课题依托国家自然科学基金──无线物理层安全通信关键技术研究,通过分析现有密钥生成方案的优点及不足,提出了具有通用性的物理层密钥生成模型。然后针对模型中的关键步骤分别进行了研究,确保密钥生成的高一致性。具体工作如下: 1.提出了基于信道探测因子的物理层密钥生成模型。该模型利用反映通信双方信道估计互易程度的信道探测因子,动态调整信道双向探测的间隔,确保通信双方信道估计的高一致性,从而降低该模型其它两个关键步骤──密钥生成算法以及密钥一致性协商方案的复杂度。 2.提出了基于多径相对时延的密钥生成算法。该算法主要针对宽带系统,接收端在合并多径的同时提取各径间的相对时延,通过量化相对时延与平均时延的差值生成密钥。仿真结果表明,该算法具有一定的抗噪性。同时,由于无需预先设定量化判决门限,该算法比现有方案降低了密钥生成的不确定性,提高了密钥生成一致性。 3.提出了基于双Hash(哈希)函数的密钥一致性协商方案。该方案利用Hash函数的单向性设计校验信息交互协议,确保了生成密钥的高一致性;利用Hash函数的散列性,排除了信道测量值相近时所导致的密钥相干性。在深入分析该方案安全隐患的基础上,提出了一种改进的流水式增强型密钥协商方案,确保第三方无法解析获取的校验信息,进一步增强了密钥的安全性。 4.提出了多信道特征联合矢量量化(JCQ)方案,在保证高速生成密钥的同时,确保密钥生成的高一致性。该方案联合多个信道特征进行矢量量化,把密钥提取问题转化为矢量量化的最小误差问题,从而提高了密钥生成速率;通过单向胞腔调整机制降低非同时测量和信道估计误差带来的影响,提高了通信双方密钥生成的一致性。仿真结果表明,JCQ方案的密钥速率和一致性优于传统方案;并且随着分割子胞腔数目的增多,性能也愈加优越。