[发明专利]一种水声信道物理层密钥生成方法及系统

权利要求书

1.一种水声信道物理层密钥生成方法，其特征在于，包含以下步骤：

使用线性调频信号作为信道探测信号，合法通信双方相互发送线性调频信号，该信号经历相同的信道衰减被对端接收；

根据信道环境选择接收信号强度或者信道时域冲激响应从接收信号中提取信道特征；

利用提取的信道特征量化生成初始密钥，并且设置量化门限和量化位数以适应不同的水文环境和密钥生成速率需求；

发送端根据初始密钥生成校验码并发送校验信号，接收端则利用收到的校验码完成纠错功能；

对协商后的密钥进行变换，生成最终密钥。

2.根据权利要求1所述的水声信道物理层密钥生成方法，其特征在于，合法通信双方在信道相干时间内依次发送LFM信号，此时发送端和接收端接收信号分别表示为：

式中，s为LFM时域信号，y_Alice-Bob为发送端接收时域信号，y_Bob-Alice为接收端接收时域信号，h_AB为接收端到发送端信道的冲激响应，h_BA为发送端到接收端信道的冲激响应，n_A为发送端的白噪声，n_B为接收端的白噪声，τ为一次单向探测时间；当双向探测时间小于信道相干时间时有：h_AB(t)≈h_BA(t+τ)，2τ≤T_C，T_C为信道相干时间。

3.根据权利要求2所述的水声信道物理层密钥生成方法，其特征在于，所述接收信号强度表征粗粒度的信道特征，对于接收信号y(t)提取接收信号强度特征值表示为：

4.根据权利要求2所述的水声信道物理层密钥生成方法，其特征在于，所述信道时域冲激响应包含信道多径时延信息，表征细粒度的信道特征，将接收信号与本地导频信道进行相关处理，获得信道时域冲激响应特征值表示为：

式中，A₀为直达径的衰减系数，δ(t)为冲激函数，A_i为第i条多径的衰减系数，τ_i为第i条多径的多径时延，N-1为多径条数；

根据信道时域冲激响应特征值提取多径时延信息，这里是提取信道的相对时延特征，表示为：L_delay＝[τ₁,τ₂-τ₁,…,τ_N-1N-2]。

5.根据权利要求1所述的水声信道物理层密钥生成方法，其特征在于，信道特征量化采用多比特均匀量化和等概量化方法；所述多比特均匀量化根据量化位数均匀划分量化门限，适合均匀分布的特征；当提取的特征值较多时，使用等概量化使得特征值等概率落在各个量化区间，实现量化门限自适应调节。

6.根据权利要求1所述的水声信道物理层密钥生成方法，其特征在于，采用BCH纠错码对发送端和接收端获得的初始密钥进行协商。

7.根据权利要求1所述的水声信道物理层密钥生成方法，其特征在于，利用哈希算法对协商后的密钥进行变换，生成最终密钥。

8.一种水声信道物理层密钥生成系统，其特征在于，包括：

信道探测模块，用于使用线性调频信号作为信道探测信号，合法通信双方相互发送线性调频信号，该信号经历相同的信道衰减被对端接收；

特征提取模块，用于根据信道环境选择接收信号强度或者信道时域冲激响应从接收信号中提取信道特征；

量化模块，用于利用提取的信道特征量化生成初始密钥，并且设置量化门限和量化位数以适应不同的水文环境和密钥生成速率需求；

密钥协商模块，用于发送端根据初始密钥生成校验码并发送校验信号，接收端则利用收到的校验码完成纠错功能；

密钥增强模块，用于对协商后的密钥进行变换，生成最终密钥。