[发明专利]一种基于神经网络的高一致性物理密钥生成方法

说明书

本发明公开了一种基于神经网络的高一致性物理密钥生成方法，该生成方法包括以下步骤：步骤10)：在一无线物理密钥生成模型中，设有一个源节点S、一个目的节点D和一个窃听节点E，所有节点采用TDD方式工作；设在时刻t，源节点S和目的节点D之间的信道系数记为hsubgt;SD/subgt;(t)，源节点S和窃听节点E之间的信道系数记为hsubgt;SE/subgt;(t)，目的节点D和窃听节点E之间的信道系数记为hsubgt;DE/subgt;(t)；步骤20)：获取训练样本；步骤30)：建立神经网络模型；步骤40)：训练参数；步骤50)：生成密钥；步骤60)：进行一致性检验。该方法利用源节点、目的节点探测结果的时间相关性，通过对样本进行训练得到能够进行有效预测的神经网络参数，再利用训练好的神经网络进行物理密钥生成，提高一致性。

技术领域

本发明属于通信领域，具体来说，涉及一种基于神经网络的高一致性物理密钥生成方法。

背景技术

寻求一种新的安全技术以弥补现有无线加密机制的不足，实现更高的安全性保证是一个极具研究价值的课题。物理层安全为这一问题的解决开辟了新的路径，其原理是从信息论出发，利用无线信道的物理特性而不是增加计算复杂度来解决通信保密性问题。具体而言，根据对无线信道特性利用方式的不同，物理层安全解决方案可分为以下两大类。第一类，即利用信道差异性构建Wire-tap信道直接进行保密信息的安全传输。基于Wyner提出的Wire-tap窃听信道模型，只要主信道(源节点和目的节点间信道)优于窃听信道(源节点和窃听节点间信道)，源节点和目的节点就可以实现Shannon信息论意义上的绝对安全(亦称为“无条件安全”)。这类方案通常要求源节点同时具备主信道和窃听信道的信道状态信息以便进行安全传输所需的Wyner安全编码，因此在实际场景中其应用受到较大限制。第二类，就是基于无线信道随机动态特性的物理密钥生成方案。

从物理特征上看，无线衰落信道呈现出随机动态且唯一的特性。无线信道的唯一性保证了主信道和窃听信道之间必然存在差异，而其随机动态变化特性又使得这一差异能够实时更新。这为利用无线信道物理特性实时生成动态密钥提供了可能。特别是在TDD(Time Division Duplexing，时分双工)系统中，源节点到目的节点的信道与目的节点到源节点的信道之间具有短时互易特性。这意味着合法通信双方能够共享不为窃听节点所知的信道信息(例如信道冲激响应的幅度和相位信息等)。在通信过程中，合法通信双方通过各自独立对主信道进行估计，就能提取出主信道的特征信息，并生成窃听节点无法获知的一致密钥。此密钥为源节点和目的节点所共享且随主信道动态变化，可实现“一次一密”的安全通信。相较于传统密钥体制，基于无线信道物理特性生成的物理密钥具有以下优点：1)在线生成分发。合法通信双方各自独立从信道提取物理密钥，无需另外的密钥分发中心或用户认证中心，避免了传统密钥无线分发过程中的安全性问题。2)实时动态更新。无线信道的随机动态时变特性保证了物理密钥的实时动态更新。这有利于实现“一次一密”，大大提高了无线安全性。例如，在破解KASUMI过程中，先要发送数百万条明文经运营商网络加密，然后截取密文与明文进行比对分析加以破解。如果采用“一次一密”的物理密钥，这种比对分析将是无效的。

大致上，物理密钥的生成过程可分为三个阶段：1)通信双方信道探测；2)信道特征提取量化；3)密钥一致性校验。无线信道最基本的特征之一就是信道冲激响应，其幅度、相位的随机变化为在线产生密钥提供了来源。然而，由于源节点、目的节点均工作于TDD模式，不能同时进行无线收发，二者的信道探测存在时延。时延导致了目的节点的探测结果和源节点的探测结果之间存在误差。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提出一种基于神经网络的高一致性物理密钥生成方法，利用源节点、目的节点探测结果的时间相关性，通过对样本进行训练得到能够进行有效预测的神经网络参数，再利用训练好的神经网络进行物理密钥生成，提高一致性。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于神经网络的高一致性物理密钥生成方法，该生成方法包括以下步骤：