[发明专利]一种用于无线安全通信的物理层密钥生成方法

说明书

本发明提供一种用于无线安全通信的物理层密钥生成方法，密钥由用户随机生成，使用本发明中的方法生成的密钥具有更大的密钥熵，更难以被窃听用户恶意分析；即使在信道衰落变化较慢的环境中，本发明依然能保证密钥的生成和更新速率本发明考虑通信双方采样非同步时接收端的采样信号中存在的采样时间偏差和载波相位偏差，在接收端对采样信号的采样时间偏差和载波相位偏差进行了补偿，使本发明中的物理层密钥生成方法在通信双方采样非同步的情况下也能正常使用。

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种用于无线安全通信的物理层密钥生成方法。

背景技术

随着无线通信行业的发展，通信安全成为人们日益关心的问题。无线信道的开放性和电磁波的广播特性对通信安全构成严重威胁，但同时研究者们注意到，无线信道作为一种天然的随机源，其短时互易性、时变性、空间唯一性等特性可以被用于密钥提取，以此实现合法通信双方“一次一密”的安全通信。近年来，在物理层利用无线信道特征提取密钥已经成为一个研究热点。

无线信道密钥提取大体包括以下几个步骤：信道获取、信息量化、密钥协商和安全增强。研究者们从不同方向对此进行了研究，并提出了相应的方案。

1996年，Amer A.Hassan在Digital Signal Processing上发表了一篇题目为“Cryptographic Key Agreement for Mobile Radio”的文章，他在文章中提出了一种对载波间的相位差进行量化来获取原始密钥的方案。2000年，Havish Koorapaty在IEEECommunications Letters上发表的一篇题目为“Secure Information Transmission forMobile Radio”的文章，他在前者的基础上进行改进，提出了一种利用载波相位差传递信息(密钥)的方案。上述两种方案的优点在于利用载波的相位差分去除了相位模糊的影响；缺点在于无法去除合法通信双方采样非同步带来的影响。

2012年，Jalal Etesami和Werner Henkel在First IEEE Conference onCommunications in China：Communications Theory and Security(CTS)上发表了一篇题目为“LDPC Code Construction for Wireless Physical-Layer Key Reconciliation”的文章，他们在文章中首次提出使用LDPC码进行密钥协商的思路，并设计了具体的方案。2015年，Oana Graur等人在Proceedings of 10th IEEE International ITG Conference onSystems,Communications and Coding-SCC 2015上发表了一篇题目为“QuantizationAspects in LDPC Key Reconciliation for Physical Layer Security”的文章，他们在前者的基础上进一步推导了软信息计算的精确和近似表达式。上述两个方案将信道编译码技术引入密钥协商步骤，为研究者们提供了新的思路，但他们仍然没有考虑合法通信双方采样非同步时的影响。

在实际的通信系统中，通信双方采样非同步是普遍存在且难以消除的。因此，在设计基于无线信道的密钥提取方案时，必须考虑通信双方采样非同步的情况。许多现有的无线信道密钥提取方案是将信道参数量化为原始密钥，这会使得密钥生成速率依赖信道变化速度。在信道变化较慢的环境中，这些方案的密钥生成速率较低，间接影响了密钥生成系统的性能。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术在实际实施过程中遇到的采样非同步问题及密钥生成速率问题，提出一种用于无线安全通信的物理层密钥生成方法，使得通信双方在采样非同步的情况下也能正常使用，并且密钥生成和更新速率不依赖信道变化速度。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种用于无线安全通信的物理层密钥生成方法，包括：