水声通信的物理层安全技术研究

作     者：徐晨 

作者单位：江苏科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王彪

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 082403[工学-水声工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：水声通信 物理层安全 特征量化 密钥协商 

摘      要：近年来,随着人们对海洋、湖泊等水域资源的探测与开发,水声通信逐渐受到国内外研究学者的广泛关注,成为信号与信息处理领域一个快速发展的研究热点。然而由于水声信道的开放属性所引起的安全问题已不容忽视,在水声通信时需要对水声信号进行加密。传统的上层加密协议主要依赖于计算角度的安全,但对资源受限的水下通信节点来说很难应用,并且在水下移动场景中基于计算安全的加密密钥其安全分发与管理也会成为一大难题。为了能够快速的获取大量随机密钥,一种名为物理层安全的新技术得以产生。该技术依赖于水声通信信道固有的短时互易性、稀疏时变性、时空唯一性,从而直接从水声信道特征中提取密钥,实现无条件安全。本文对这一新技术进行研究,重点分析了水声通信物理层安全技术中基于水声信道特征的密钥提取技术以及密钥协商技术,并对以上研究进行仿真分析,具体研究工作如下:（1）具体研究了特征量化过程,对经典的均匀量化和等概量化进行了仿真分析比较。并对基于量化保护带的信道量化算法（Channel Quantization with Guardband,CQG）进行了分析,在充分了解CQG量化算法的工作流程基础上,提出了CQG量化算法的改进方案:基于量化保护带的双层信道量化算法（Double Layer Channel Quantization with Guardband,DCQG）。DCQG量化算法通过引入预处理机制平滑环境噪声并对CQG量化算法中的删除密钥有所保留,然后针对保留密钥对应的特征探测序列进行二次平滑量化处理。最终使得DCQG量化算法相比于CQG量化算法在不增加通信开销且密钥不一致率基本不变的前提下,极大地提升了密钥生成速率。（2）具体研究了密钥协商过程,对经典的BBBSS协商、Cascade协商和Winnow协商进行了仿真分析比较。考虑到水声信道环境中噪声影响较大,为了解决在低信噪比条件下,DCQG量化算法密钥不一致率仍然偏高的问题,本文在DCQG特征量化后引入了基于Slepian-Wolf信源编码理论的低密度奇偶校验（Low Density Parity Check,LDPC）码进行密钥协商,通过设计LDPC码译码前的初始对数似然比（Log-Likelihood Ratio,LLR）,然后对该初始LLR进行置信传播（Belief Propagation,BP）译码,最终实现在低信噪比条件下,DCQG特征量化算法密钥不一致率的大幅降低。