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基于SVD预处理的物理层密钥生成方法

基于SVD预处理的物理层密钥生成方法

2023电力行业信息化年会

作者：李瑞刘泽辉琚贇

物理层密钥生成技术的加密效果因受到信道噪声、硬件指纹等环境因素的影响,生成密钥的一致性较低。特征预处理是提高密钥一致性(KAR)的常用手段,但现存的特征预处理算法大多通过牺牲密钥生成速率(KGR)来提升密钥的一致性,可用性不强。因... 详细信息

物理层密钥生成技术的加密效果因受到信道噪声、硬件指纹等环境因素的影响,生成密钥的一致性较低。特征预处理是提高密钥一致性(KAR)的常用手段,但现存的特征预处理算法大多通过牺牲密钥生成速率(KGR)来提升密钥的一致性,可用性不强。因此,提出一种基于奇异值分解(SVD)预处理的物理层密钥生成方法,使用SVD算法对通信双方提取到的信道特征进行预处理后再进行量化,以达到同时提高密钥一致性和密钥生成速率的目的。仿真实验结果显示,当信道信噪比大于10dB时,与不经过预处理的方案以及离散余弦变换(DCT)、主成分分析(PCA)预处理方案相比,SVD方案的误码率明显更低;当信噪比大于20dB时,SVD方案KGR能够达到10bit/s的水平,明显高于其他3种方案。SVD方案能够在有效提高密钥一致性的同时,大幅提升密钥生成速率。

关键词：无线信道物理层密钥特征预处理密钥一致性

来源： cnki会议评论

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物理层密钥的生成与应用前景

信息安全与通信保密 2023年第7期 43-52页

作者：王旭阳胡爱群樊祥宁紫金山实验室江苏南京211100 东南大学信息科学与工程学院江苏南京211100

由于密钥生成和分发阶段的局限性,传统的公钥基础设施已经难以满足无线通信领域日益复杂的安全需求。无线信道的互易性,使得通信双方能够在公共信道中获得高度相关的信道特征。同时,信道环境的时间和空间变化性,为物理层密钥带来了一定... 详细信息

由于密钥生成和分发阶段的局限性,传统的公钥基础设施已经难以满足无线通信领域日益复杂的安全需求。无线信道的互易性,使得通信双方能够在公共信道中获得高度相关的信道特征。同时,信道环境的时间和空间变化性,为物理层密钥带来了一定的随机性和防窃听能力。基于上述互易性和变化性,通信双方可以通过提取和处理无线信道的物理层特征,实现物理层密钥的生成。物理层密钥具有通信开销低、硬件要求低和不依赖于数学难题等特性,在无线安全通信、自组织网络安全通信和抗量子安全通信等领域具有重要的研究意义。

关键词：物理层密钥互易性随机性变化性安全通信

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基于无线信道特征的物理层密钥技术研究

基于无线信道特征的物理层密钥技术研究

作者：张泳翔江苏科技大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：物理层安全无线通信信道特征物理层密钥

利用无线物理层密钥增强802.11i的安全性

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江苏大学学报（自然科学版） 2013年第4期34卷 416-421页

作者：李兴华尚昭辉杨丹马建峰西安电子科技大学计算机学院陕西西安710071 南京大学计算机软件新技术国家重点实验室江苏南京210093

针对目前IEEE 802.11i存在的不能为管理帧和控制帧提供安全保护导致DoS攻击、不能为用户提供身份隐私保护、会话主密钥MSK的丢失引起信息泄露等安全威胁,引入物理层安全方案iJam,于802.11i认证之前在移动站STA和接入点AP之间生成物理层... 详细信息

针对目前IEEE 802.11i存在的不能为管理帧和控制帧提供安全保护导致DoS攻击、不能为用户提供身份隐私保护、会话主密钥MSK的丢失引起信息泄露等安全威胁,引入物理层安全方案iJam,于802.11i认证之前在移动站STA和接入点AP之间生成物理层密钥K_i.使用生成的K_i保护802.11i的管理帧和控制帧,防止DoS攻击;并在后续认证过程中对消息加密,保护用户的身份信息;参与PTK的生成,增强PTK的安全性.给出了WLAN安全性增强的方案,并对引入iJam后802.11i的安全性、增加的时延、能耗及兼容性进行了分析.结果表明,所提出的方案克服了目前802.11i存在的安全威胁,对其安全性进行了增强;但所引入时延和能耗都非常有限;同时引入iJam并不会对802.11i的框架造成影响.

关键词： 802 11i 物理层密钥密钥协商时延能耗

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时变信道场景下的物理层密钥研究

时变信道场景下的物理层密钥研究

作者：唐齐天南京邮电大学

学位级别：硕士

无线通信是当今发展最快、应用最广的通信技术之一。然而,无线信道的开放特性和广播特性使无线通信面临严峻的安全问题。传统的加密机制在计算机计算能力大幅提高的情况下,己经不再绝对安全。基于无线信道的物理层密钥方案是解决无线通... 详细信息

无线通信是当今发展最快、应用最广的通信技术之一。然而,无线信道的开放特性和广播特性使无线通信面临严峻的安全问题。传统的加密机制在计算机计算能力大幅提高的情况下,己经不再绝对安全。基于无线信道的物理层密钥方案是解决无线通信安全问题的一个新的思路,它可以利用无线信道的互易性、时变性和唯一性等特点,实时动态地生成密钥,实现“一次一密”的加密体制。本文对时变信道场景下的物理层密钥方案进行研究,主要研究内容如下:(1)介绍总结了基于无线信道特征的物理层密钥生成方案,从信道特征估计、初始密钥生成和密钥协商三个环节研究了密钥生成的具体流程;分析了时变信道的衰落特性并介绍了常用的数学模型,指出了在时变信道下物理层密钥生成技术中的难点。(2)阐述了时变信道中多径效应和多普勒频移所带来的影响,分析了传统的信道估计方法的不足。在此背景下,论文研究了基于基扩展模型的信道估计方法,并对基于离散卡洛基扩展模型作出了改进,改进的模型可以随着移动端速度的改变而调节模型的阶数,因此可以获得更准确的信道估计,为密钥的生成提供更可靠的密钥源。(3)研究了基于隔离带的密钥生成技术,并改进了固定相位隔离带的密钥生成方案。改进的方案可以根据估计信道冲激响应幅值的大小而合理地调整相位隔离带区域,从而保留更多可靠的信道估计值。仿真结果表明,该方案所生成的密钥不仅可以有较高的密钥生成率和较多的密钥比特数,同时也可以克服多普勒频移带来的影响。

关键词：无线信道特性物理层密钥时变信道基扩展模型相位隔离带

基于射频识别与物理层密钥生成的无线通信安全技术研究及系统实现

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基于射频识别与物理层密钥生成的无线通信安全技术研究及系统实现

作者：王后星南京邮电大学

学位级别：硕士

无线通信技术的快速发展给人类社会的生产和生活带来极大的便利,但由于无线网络的开放性和广播性,无线通信极易受到非法用户的伪造篡改、窃听干扰等恶意攻击,因此无线网络通信的安全性亟需重视。传统的无线通信安全技术是在物理层之上... 详细信息

无线通信技术的快速发展给人类社会的生产和生活带来极大的便利,但由于无线网络的开放性和广播性,无线通信极易受到非法用户的伪造篡改、窃听干扰等恶意攻击,因此无线网络通信的安全性亟需重视。传统的无线通信安全技术是在物理层之上以密码学为基础,通过增加计算复杂度来提高安全性能。近年来,基于无线物理层安全的认证和加密技术可以用来进一步提升无线网络的安全性。本文针对射频身份识别与物理层密钥生成的无线抗干扰通信安全技术进行了深入的研究与分析,主要内容及创新点如下:首先,在复杂电磁环境下利用无线通信设备的射频指纹信息,提出了一种基于机器学习的无线设备身份识别方法。通信发射端发送射频信号,接收端采集信号并提取射频指纹特征,借助机器学习算法训练学习射频指纹的特征图像信息,在测试阶段通过分类器和熵值计算并与预设阈值进行比较,用以识别区分合法设备用户和非法设备用户。经过大量样本测试后,结果表明该方法针对合法设备和非法设备的识别准确率分别在98%和90%以上,并能有效的区别不同的合法设备,保障了无线通信系统识别认证的安全性。其次,在完成设备认证的基础上,提出了一种基于无线信道的物理层密钥生成方法。利用信道的快速时变性和互易性,通信双方互相发送导频序列进行信道估计,提取信道瞬时状态信息,并利用量化编码各自生成一串初始密钥,然后通过信息协商确保收发双方密钥的一致性。此后,通信双方可利用一致性密钥进行加密通信。与传统加密方法相比,物理层密钥能够实现“一次一密”且无需进行分发管理,避免了密钥的泄露问题。通过演示系统的仿真分析,每次新生成的密钥与上一次密钥的平均比特变化率为41.9%,保证了密钥产生的随机性,该方法有效提高了无线通信系统的保密安全性能。最后,基于上述生成的收发一致性密钥,提出一种基于物理层密钥的跳频序列设计方法,利用密钥作为初始种子生成跳频图案以实现跳频抗干扰通信。为了更加直观地演示所述研究内容,本文使用软件无线电外设USRP和软件无线电开发平台Lab VIEW来实现认证、加密和跳频功能,具体包括射频指纹的采集提取、密钥生成协商和跳频通信等模块的开发。鉴于所采用的USRP-2920设备型号的规格限制,搭建的抗干扰跳频通信系统演示平台实现每两秒一次的平均跳频速率。本文通过上述开发平台的演示运行结果和数据仿真分析来评估所提方案的可行性和有效性。

关键词：物理层安全认证加密射频指纹物理层密钥跳频通信

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认知无线电网络物理层密钥生成机制研究

认知无线电网络物理层密钥生成机制研究

作者：林如姗福建师范大学

学位级别：硕士

认知无线电网络是解决频谱资源供需矛盾问题的最佳方案之一。在认知无线电网络技术中,用户的安全通信是系统正常运行必不可少的先决条件。进一步地,在用户间如何提取并建立安全有效的共享密钥则是确保认知无线电网络安全通信的基础。针... 详细信息

认知无线电网络是解决频谱资源供需矛盾问题的最佳方案之一。在认知无线电网络技术中,用户的安全通信是系统正常运行必不可少的先决条件。进一步地,在用户间如何提取并建立安全有效的共享密钥则是确保认知无线电网络安全通信的基础。针对认知无线电网络集中式协作感知场景,本文通过物理层无线信道特征对用户间共享密钥生成问题展开研究。主要研究内容如下:(1)基于自适应多比特关联量化的对密钥生成机制研究:针对现有的物理层对密钥生成方法中存在比特不一致率偏高以及比特生成率较低等问题,提出了一种自适应多比特关联量化方案,通过选择性丢弃区间边界附近和异常的测量值来降低误量化的可能性,从而降低了比特不一致率。此外,为每个测量值找到相配对的值,使得生成的密钥与多位测量值相关,保证最终密钥生成的随机性。实验结果表明我们的方案在比特不一致率和比特生成率上具有一定的优势。(2)基于信道特征的对称信道密钥生成机制研究:为了进一步优化比特生成率和比特不一致率,我们提出了基于单边保护带的自修正信道量化算法量化提取到的信道测量值,再通过密钥提取器保证密钥的随机性并进一步提高密钥生成速率。实验结果表明,与其他相关方案相比,我们的方案在比特生成率,比特不一致率方面有了明显的提升。(3)基于中心节点的组密钥生成方案及其分析:在集中式协作感知场景中,利用融合中心作为中心节点,使用基于信道特征的对称信道密钥生成机制与组内其他次用户生成本地的对密钥,在此基础上融合中心进一步生成组密钥。通过数值计算分析了该方案在不同条件下能够实现的组密钥率,结果表明,该方案的组密钥率随着信噪比的增大而增加,且不随着组内用户节点的增多而发生改变。综上所述,本方案在提高组密钥率方面具有较明显的优势。

关键词：认知无线电网络接收信号强度物理层密钥组密钥

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对抗主动攻击的物理层密钥生成方案研究

对抗主动攻击的物理层密钥生成方案研究

作者：洪志颖华中科技大学

学位级别：硕士

无线网络的广播性和便携式计算机计算性能的高速发展降低了破解对称密钥加密体系的难度。为解决这一问题研究人员提出利用无线衰落信道的随机性和互易性在合法用户之间生成对称密钥的物理层密钥生成方案。目前的研究主要集中在被动攻击... 详细信息

无线网络的广播性和便携式计算机计算性能的高速发展降低了破解对称密钥加密体系的难度。为解决这一问题研究人员提出利用无线衰落信道的随机性和互易性在合法用户之间生成对称密钥的物理层密钥生成方案。目前的研究主要集中在被动攻击下的物理层密钥生成方案设计和安全性分析,对于主动攻击下的物理层密钥生成方案研究不足。本文中我们讨论了多种主动攻击方案和应对方法,主要工作如下:(1)回顾了物理层密钥生成方法的发展历程,分析了主动攻击对传统物理层密钥生成方法的影响。传统物理层密钥生成方法在受到干扰攻击的情况下密钥一致率低,受到信道控制攻击和信号注入攻击的情况下部分密钥可能被破解。(2)针对干扰攻击,本文通过提出时域拓展信号进行信道探测,利用时域拓展信号和干扰信号不相关的特性,在接收端通过计算发送序列和接收序列的互相关系数提取信道特征。推导了生成密钥双方所提取的信道特征序列的相关系数,证明了新的密钥生成方法能大幅度提升信道探测值序列的相似性,给出了最优时域拓展信号的长度和多普勒频移之间的关系。仿真结果表明,即使在高强度干扰攻击下,新方法仍能保证良好的密钥一致率。(3)针对信号注入攻击和信道控制攻击带来的信道特征测量值污染问题,我们提出随机化信道探测信号系数的方法,在接收方生成组合信道探测序列。针对幅度非负的问题,提出利用相位信息判断正负的方法,进而满足随机信道探测系数均值为0的要求。分析了新方法在信号注入攻击和信道控制攻击下的安全性。仿真结果表明新方法能够有效防止所生成的密钥被破解。

关键词：物理层密钥主动攻击物理层安全互相关系数

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无线信道物理层密钥生成与协商技术研究

无线信道物理层密钥生成与协商技术研究

作者：陆英玮南京邮电大学

学位级别：硕士

进入二十一世纪后,得益于无线通信技术的迅速发展,普通大众可以摆脱有线通信的束缚,便捷低廉的实现随时随处通信,因此无线通信成为了社会生产生活中主流的通信方式。但由于无线通信的广播性和开放性,通信传递的信息极易被窃听获取,这对... 详细信息

进入二十一世纪后,得益于无线通信技术的迅速发展,普通大众可以摆脱有线通信的束缚,便捷低廉的实现随时随处通信,因此无线通信成为了社会生产生活中主流的通信方式。但由于无线通信的广播性和开放性,通信传递的信息极易被窃听获取,这对无线通信的隐私和安全造成了极大的挑战,甚至会影响个人的生活乃至于社会的稳定。如何有效的保护无线通信中的信息安全,成为了技术研究的重点。无线信道物理层密钥技术是增强无线通信安全的新兴技术,在时分双工模式下,利用通信双方无线信道的互易性与时变性,不仅可以提取相同的信道特征信息生成密钥,还能进一步实现“一次一密”的动态密钥生成,与传统通信安全技术结合,提升现有无线通信的安全性。不过由于信道的延迟的和环境噪声的影响,在通信条件较差的情况下,收发两端初始生成的密钥会存在一致率较低等问题。对于密钥生成过程中获得的信道特征不完全一致而造成的密钥误差的情况,则需要通过密钥协商进行解决。密钥协商由密钥信息调和与增强两个部分组成,密钥信息调和负责纠正密钥错码,提高正确率;而密钥增强则判定密钥信息调和是否成功,删除信息调和失败的密钥。在本文中,提取无线信道中的特征生成密钥,通过密钥协商提升密钥的一致性,对协商的正确率和速度进行研究,论文的主要研究工作如下:(1)对无线信道物理层密钥信息调和方法进行了回顾和研究,归纳了不同信息调和方法的优缺点。设计了一种基于改进的LDPC校验的密钥信息调和方法,该方法采用offset-base计算公式,可以更新校验节点,使LDPC能对不一致的物理层初始密钥进行较好的纠错。论文对该方法的纠错性能和算法的迭代次数进行了仿真研究。(2)使用哈希函数对信息调和后的物理层密钥进行了密钥增强,判断密钥的一致性,对不一致密钥进行删除,在标准密钥增强方案基础上,给出了一种简化的密钥增强方案。对两种密钥增强的正确率进行了仿真分析,对比其性能。(3)对多比特量化无线信道物理层密钥进行了研究,通过对特征空间划分得到了基于幅度、相位以及幅度相位联合的三种特征信息提取的多比特量化物理层密钥生成方案,对各方案进行数据仿真比较了它们的误码率和随机性。通过对改进的LDPC进行修正,设计了适合于多比特量化物理层密钥的信息调和方案。最后对多比特量化密钥协商的纠错性能和算法的迭代次数进行了仿真研究。

关键词：无线信道物理层密钥低密度奇偶校验码密钥协商多比特量化物理层密钥