基于无线信道的物理层密钥生成与协商技术研究

作     者：杨硕 

作者单位：南京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：侯晓赟

授予年度：2017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：无线信道 物理层安全 密钥生成 密钥协商 密钥容量 

摘      要：近年来,随着无线通信的飞速发展,人们享受着高新技术所带来的前所未有的便捷。同时由无线媒介的广播性和开放性所面临的安全及隐私隐患,也严重影响着人们的生活,成为了学者研究的重点。传统保障安全通信的技术由于量子时代的到来,传统的加密方法很容易被破解。物理层密钥生成技术的出现能够避免了传统加密技术中因密钥分发而引起的泄密风险,由于其充分利用通信双方无线通信信道的互易性与时变性,不仅可以实现“一次一密的动态密钥生成,而且无需进行密钥分发,达到信息理论意义上的安全。本文针对大多数仅从单一的信道特征来考虑生成密钥,在信道特性变化的场景下,可能存在适应性不强、初始密钥一致率较低等问题。本文提取无线信道中的信道幅度和信道相位信息联合生成密钥,对初始密钥生成的误比特率、随机性以及密钥容量等方面进行研究,主要的研究工作如下:(1)对基于无线信道特征的物理层密钥生成方法进行了回顾与总结,并比较了各自优缺点。针对通信双方初始生成密钥的不一致性问题,研究了密钥协商体系模型,从信息调和、一致性认证、保密增强这三个方面归纳总结了一些典型的技术和算法,并对比分析了其优缺点。(2)基于窄带平坦衰落信道,提出了一种联合信道幅度和相位的二维无线物理层密钥生成方法,该方法将估计出来的信道幅度和信道相位组合成一个极坐标点进行量化。仿真结果表明,与纯相位生成密钥的方法相比,本方法具有更低的初始密钥不一致率。(3)在窃听信道系统模型的基础上,借助随机变量以及信息熵的概念与性质,推导了基于通信双方信道幅度和信道相位的密钥容量,并以此作为理论基础,设计了一种自适应多比特密钥生成方案。仿真结果表明,该方案在生成速率和误比特率之间实现了折衷。