[发明专利]一种水声信道物理层密钥生成方法及系统

说明书

本发明属于水声安全通信技术领域，特别涉及一种水声信道物理层密钥生成方法及系统，该方法包括：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，提高密钥的安全性，生成最终密钥。本发明能够完成水声物理层密钥的生成和分发，同时具备防窃听密钥的能力。

技术领域

本发明属于水声安全通信技术领域，特别涉及一种水声信道物理层密钥生成方法及系统。

背景技术

水声通信是目前水下信息传输的主要通信方式，往往携带了重要的海洋地理环境信息、平台操作控制信息和网络拓扑信息等敏感内容，这些内容往往会对决策部署有重要影响。因此在水声通信中，如何保证通信安全是一个关键问题。

密钥是安全通信的必要手段。无线通信往往采用对称/非对称密钥的安全防护机制保证通信安全。但是其密钥的分发管理往往建立在复杂数学计算之上，对运算资源要求高，难以应用于资源受限的水声环境。同时，动态水下网络拓扑结构以及水下无人装备丢失等问题使水下的密钥分发、管理愈加困难。近年来，一种轻量级的基于物理层的密钥生成技术受到了广泛关注。该技术可以同时实现密钥生成和分发，且具有安全性高、复杂度低、密钥生成速率高的优势，可以应用于水声安全通信。

目前，基于水声信道的密钥生成算法研究相对较少，基于无线信道的密钥生成算法研究较多。2001年，Tope等人利用接收信号的包络特征生成了两个用户之间相同的密钥；2007年，Wilson等人在超宽带系统中利用多径无线信道的信道脉冲响应来产生密钥；2016年，Lou等人研究了水声环境下的基于接收信号强度的密钥生成技术；2017年，Lal等人提出了一种基于水声信道的密钥生成协议，并验证了协议的可行性；目前，大部分研究仅仅论证水声物理层密钥生成技术的可行性并将无线电密钥生成相关研究推广至水声领域。而在国内，水声物理层密钥生成技术还处在起步阶段。2019年，刘俊凯等人提出了利用水声信道多途的幅值和时延值来生成密钥；2021年，刘俊凯等人进一步提出基于BCH 密钥协商方法。

上述研究仅考虑了密钥生成的单一环节，并且仅停留在理论推导验证阶段，并未将物理层密钥生成技术推向实用化。

发明内容

针对目前水下无人平台之间缺乏可靠的密钥分发手段以致难以实现加密通信的问题，本发明提出一种水声信道物理层密钥生成方法及系统，能够完成水声物理层密钥的生成和分发，同时具备防窃听密钥的能力。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

本发明提供了一种水声信道物理层密钥生成方法，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。

进一步地，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：