基于无线信道特征的物理层密钥技术研究

作     者：张泳翔 

作者单位：江苏科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴游

授予年度：2022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 无线通信 信道特征 物理层密钥 

摘      要：随着无线通信系统的发展与应用,无线信息安全已经成为国内外学者的关注重点,无线信道具有互易性、快速时变性和空间变化性等特性,可以成为加密系统的天然随机信号源。本文从密钥生成速率、密钥不一致率和随机性三个方面进行仿真分析,主要的研究工作如下:(1)本文分析了面向于第三方窃听端Eve的窃听者信道模型,阐述了物理层密钥的性能指标和物理层密钥方案的一般流程,仿真研究了两种经典的密钥生成算法,包括双门限量化密钥生成算法和电平交叉算法(Level Crossing Algorithm,LCA)。从评估物理层密钥的三大性能指标出发来具体分析比较这两种算法,可以看出:双门限量化算法优于常见的等概率量化算法,并且能够得到随机的密钥比特;LCA密钥生成算法通过协商机制的设计来获取到较低的密钥不一致率,但这无可厚非的会对系统的生成速率造成一定影响。(2)针对传统LCA算法中过滤了大量可以生成密钥比特的测量值,引发密钥生成速率满足不了加密需求的问题,研究了一种改进的LCA密钥生成算法。通过对合法通信双方的中心位置索引集合进行平滑加窗处理,则每次可以多保留一个窗口长度的信道特征序列,并且添加了范围探测和阈值判决来确保算法的不一致率指标几乎不会受到影响。同时加窗宽度m越大,则可以匹配保留的序列越多,对应算法的生成速率越高。通过仿真实验结果可以获悉相比较于传统算法,在信噪比为15d B、m设定为5时,改进算法的密钥比特生成速率提高了2倍以上。(3)研究了在静止或者缓慢变化的通信环境下,针对密钥不一致率较高,同时接收信号强度(Received Signal Strength,RSS)不能随时间明显变化,从而引起相邻时间的密钥比特之间存在相关性,为了解决上述问题应用了一种基于接收信号强度的自适应密钥生成算法。为了适应信道的缓慢变化,对信道序列分块处理并引入了协商协议m窗口筛选机制,在对分块的信道特征序列筛选后再通过卡洛南-洛伊变换(Karhunen-Loève Transform,KLT)实现去相关操作。随着分块大小的增大,对应的带来算法中协商效率的提高,通过仿真实验可以看出在25d B信噪比时,不一致率从约10的水平降低到接近于10。