[发明专利]自适应动态量化的生物密钥生成方法

说明书

本发明公开了一种自适应动态量化的生物密钥生成方法。其实现步骤为：1.采集人体心电信号，对其进行小波变换去噪和归一化处理；2.对归一化处理后的心电信号进行R波检测，并提取脉冲间距特征；3.统计脉冲间距特征的均值和方差，并根据方差计算脉冲间距特征的信息熵；4.根据脉冲间距的信息熵，自适应动态确定脉冲间距特征的量化位数；5.根据确定的量化位数，对脉冲间距进行量化编码，生成生物特征序列；6.传感器节点和协调器节点对生成的生物特征序列进行密钥协商，生成两节点共享的生物密钥。本发明在保证密钥随机性的同时，提高了生物密钥的产生效率，降低了身份认证的错误概率，可用于无线体域网节点之间的认证。

技术领域

本发明属于网络安全技术领域，特别涉及一种生物密钥生成方法，可用于无线体域网WBAN节点之间的认证。

背景技术

随着无线通信技术、可穿戴技术、低功耗传感器技术在医疗领域的广泛发展和应用，无线体域网已成为远程医疗健康信息采集和传输的一项重要技术。由于涉及用户个人隐私和用户人身安全问题，无线体域网中的数据安全通信问题显得尤为重要。对无线体域网中的传感器进行身份合法性的检验是安全通信首要解决的问题。现有的身份认证技术使用公钥证书，但涉及到大量的公钥计算，且需要可信第三方的存在，无法在无线体域网中应用，或者将密钥预先部署在传感器中，其安全性很大程度上依赖于传感器节点的安全，一旦它们丢失或被捕获，则无线体域网安全根基将不复存在。为了解决这些问题，人们提出利用生物特征生成密钥，即用生物密钥作为身份认证的依据。生物特征的唯一性、不可复制性、时变性保证了生物密钥的安全。由于心电信号ECG便于采集，且具有较小的数据量，有利于节省传感器的存储空间，因此，在无线体域网中利用心电信号生成生物密钥是可行的。

2011年，Fengyuan Xu与Zhengrui Qin等人提出了一种基于等概率区间量化的心电信号密钥生成方法，发现人体心电信号ECG的脉冲间距IPI呈现正态分布特征，将脉冲间距IPI的概率密度曲线划分为若干个连续的等概率区间，作为脉冲间距IPI的量化区间，对测量的脉冲间距IPI进行量化之后再进行格雷编码即得到生物密钥。该方法要求脉冲间距IPI的方差较大，否则，来自同一人体不同部位的脉冲间距IPI测量值，将被量化到不同的量化区间，从而得到不同的生物密钥，导致认证的错误拒绝概率较高。

2012年，Guang-He Zhang等人提出了一种直接编码量化方法，该方法把心电信号ECG的脉冲间距IPI测量值映射到固定区间[0,15]上，通过对每个映射区间进行4比特二进制编码得到该脉冲间距IPI所对应的生物密钥。但该方法产生的密钥长度较短，密钥产生速率较低，而且仅保留同一时刻来自不同传感器节点的脉冲间距IPI值之间的差异，使得来自同一人体不同部位的脉冲间距IPI测量值所产生的密钥比特有较高的不一致率，引起较大的错误拒绝概率。

发明内容

本发明针对上述已有技术的不足，提出一种自适应动态量化的生物密钥生成方法，以在保证密钥良好随机性的前提下，最大限度地提高每个脉冲间距IPI的量化位数，从而有效地提高生物密钥的身份识别率和密钥产生速率。

本发明的技术方案是：对所测量的心电信号的脉冲间距IPI值进行统计，计算得到其概率分布的数学期望和统计方差值，进而计算出脉冲间距IPI的熵，将其作为量化位数的选择依据，进行脉冲间距IPI量化位数的自适应动态选取，并将脉冲间距IPI值依次进行量化和二进制编码，得到生物密钥。其实现步骤包括如下：

(1)用无线体域网WBAN中的传感器节点和协调器节点分别采集人体心电信号，获得采集到的人体心电信号X^d，对该信号X^d进行小波变换去噪及归一化处理，得到去噪归一化心电信号d＝1或者2，1表示传感器节点，2表示协调器节点；

(2)对去噪归一化心电信号进行R波检测，提取R波的波峰位置，构建R波的波峰索引序列Ind^d：