[发明专利]基于特征分布变换的无线信道密钥生成方法

摘要

本发明公开了一种基于特征分布变换的无线信道密钥生成方法，具体实现步骤包括：1、信道探测；2、特征分布变换；3、误差补偿；4、量化；5、信息协调；6、隐私增强。本发明使用特征分布变换与误差补偿技术，提高节点间信道特征值之间的相关性，解决了密钥生成中不一致率高的问题。在量化过程中，对所有信道特征值进行分布变换与量化，不丢弃信道特征值，解决了密钥生成速率低的问题。本发明提高了系统整体的有效性和可靠性，具有较高的密钥生成速率与较低的密钥不一致率，可以应用于无线传感器网络应用领域。

主权项

1.一种基于特征分布变换的无线信道密钥生成方法，具体步骤包括：(1)信道探测：(1a)在瑞利衰落信道中，无线网络中任意两个通信节点A与通信节点B轮流互相发送预先设定的探测信号N次，N表示由所需密钥长度决定的通信节点A或通信节点B发送探测信号的次数；(1b)采用最大似然估计方法，通信节点A与通信节点B分别对每次接收的探测信号进行信道估计，得到瑞利衰落信道脉冲响应序列HA与HB；所述最大似然估计方法是指，通信节点A与通信节点B分别对每次接收的探测信号进行信道估计得到各自的一个信道估计值，将所有信道估计值按照时间顺序排列，构成瑞利衰落信道脉冲响应序列HA与HB；(1c)将瑞利衰落信道脉冲响应序列HA与HB的实部，分别作为通信节点A与通信节点B的瑞利衰落信道特征值序列XA与XB；(2)特征分布变换：(2a)在区间(1,2]内,通信节点A随机选取一个实数作为扩展因子α，并将扩展因子α的值发送给通信节点B；(2b)按照下式，构造通信节点A的分布变换函数：其中，F_A(x₁)表示通信节点A的分布变换函数，x₁表示通信节点A的瑞利衰落信道特征值，表示开根号操作，π表示圆周率，α表示扩展因子，σ_A表示瑞利衰落信道特征值序列X_A的均方差值，e表示自然常数，μ_A表示瑞利衰落信道特征值序列X_A的均值；(2c)按照下式，构造通信节点B的分布变换函数：其中，F_B(x₂)表示通信节点B的分布变换函数，x₂表示通信节点B的瑞利衰落信道特征值，表示开根号操作，π表示圆周率，α表示扩展因子，σ_B表示瑞利衰落信道特征值序列X_B的均方差值，e表示自然常数，μ_B表示瑞利衰落信道特征值序列X_B的均值；(2d)按照下式，对瑞利衰落信道特征值序列XA中每一个元素进行特征映射，得到通信节点A的特征映射值：其中，gA(iA)表示通信节点A的特征映射值序列GA的第iA个特征映射值，N表示由所需密钥长度决定的通信节点A或通信节点B发送探测信号的次数，xA(iA)表示瑞利衰落信道特征值序列XA的第iA个元素，FA(x1)表示通信节点A的分布变换函数，x1表示通信节点A的瑞利衰落信道特征值；(2e)按照下式，对瑞利衰落信道特征值序列XB中每一个元素进行特征映射，得到通信节点B的特征映射值：其中，gB(iB)表示通信节点B的特征映射值序列GB的第iB个特征映射值，N表示由所需密钥长度决定的通信节点A或通信节点B发送探测信号的次数，xB(iB)表示瑞利衰落信道特征值序列XB的第iB个元素，FB(x2)表示通信节点B的分布变换函数，x2表示通信节点B的瑞利衰落信道特征值；(3)误差补偿：(3a)按照下式，计算通信节点A中每一个特征映射值的误差补偿值：其中，w(i_A)表示通信节点A中第i_A个特征映射值的误差补偿值，表示向下取整操作，g_A(i_A)表示通信节点A的第i_A个特征映射值，i_A∈[1,N]，N表示由所需密钥长度决定的通信节点A或通信节点B发送探测信号的次数；(3b)通信节点A将所有的特征映射值的误差补偿值发送给通信节点B；(3c)按照下式，对通信节点B中每一个特征映射值进行误差补偿，得到通信节点B误差补偿后的特征映射值：yB(iB)＝gB(iB)+w(iB)其中，yB(iB)表示通信节点B的第iB个误差补偿后的特征映射值，iB∈[1,N]，N表示由所需密钥长度决定的通信节点A或通信节点B发送探测信号的次数，gB(iB)表示通信节点B的第iB个特征映射值，w(iB)表示第iB个误差补偿值；(4)量化：(4a)对通信节点A中每一个特征映射值进行量化，得到单特征码；(4b)将通信节点A的所有单特征码首尾相接，得到量化码KA；(4c)对通信节点B中每一个误差补偿后的特征映射值进行量化，得到单特征码；(4d)将通信节点B的所有单特征码首尾相接，得到量化码KB；(5)信息协调：采用纠错码的方法，对量化码KA与量化码KB进行信息协调，得到与通信节点A量化码KA相同的通信节点B的协调码Τ；(6)隐私增强：对量化码KA与协调码Τ进行哈希运算，分别得到通信节点A与通信节点B相同的密钥Key，将密钥Key作为通信节点A与通信节点B共享的对称密钥。