多天线信道物理层特征密钥提取方法

摘要

随着无线通信在民事和军事数据传输中作用的不断提升，保障无线通信的安全性具有重要的研究价值。相比于有线网络，无线网络的开放性和不稳定性使其更容易遭受攻击。同时，由于无线网络终端的移动性、计算能力、续航能力和存储空间等条件的限制，传统安全机制中的密钥分发方案不适用于无线通信。
　　基于无线信道物理层特征的密钥提取技术作为保障无线通信安全性的新方法，利用无线信道的互易性为通信双方生成共享密钥。该技术避免了密钥的分发环节，具有低计算复杂度和高安全性的特点。然而，该技术在实际应用中绝大多数基于单天线系统实现，存在密钥生成效率低、密钥一致性低以及缺乏实测环境对算法的验证等问题。而多天线系统由于其空间分集的特点，可以为密钥提取提供更多随机性，进而提高密钥生成效率，因此，本文研究了基于多天线信道物理层特征的密钥提取技术，并提出了基于信道频率响应校准(CFRC)的预处理算法以提高密钥一致性，最后在实测环境下对算法进行验证。主要工作及结论如下:
　　1.本文建立了基于单天线OFDM系统的信道物理层特征密钥提取（以下简称单天线密钥提取系统）模型，采用Rayleigh信道模型，在25MHz带宽不同信噪比下对信道探测、量化、信息调和以及隐私放大等环节进行仿真。仿真结果表明，该系统所测得的通信双方信道状态信息(CSI)的均方误差(MSE)平均3.4×10-4，平均密钥生成速率(KGR)为656bit/packet，为本文的多天线密钥提取系统奠定了研究基础。
　　2.为提高密钥生成的效率，本文设计了基于多天线OFDM系统的信道物理层特征密钥提取系统（以下简称多天线密钥提取系统）。在单天线密钥提取系统的研究基础上，针对多天线密钥提取系统与单天线密钥提取系统在信道模型上的差异，提出了基于1×2单输入多输出密钥提取系统的信道探测算法并对系统进行仿真。仿真结果表明多天线密钥提取系统的KGR相比于单天线密钥提取系统平均提高了1倍。
　　3.针对通信双方硬件设备偏差导致的密钥一致性低的问题，对无线信道互易性增强方案进行研究。首先，分析了实际信道环境中通信双方硬件设备偏差等信道非互易性的影响因素，结果表明硬件设备偏差导致整个带宽内的非互易性是不均匀的。因此，针对性的提出了CFRC的预处理算法来消除硬件设备偏差，从而增强信道的互易性。另外，使用基于主成分分析(PCA)的预处理方法来降低通信双方信道测量值的冗余，提高密钥一致性。结果表明，经过PCA预处理，仿真环境中通信双方CSI的MSE平均下降36％左右，在实测环境中下降75％。
　　4.针对现有研究缺乏实测环境验证的问题，本文搭建了多天线密钥提取原型系统并对CFRC算法的性能进行分析。实测结果表明，CFRC预处理使得单天线密钥提取系统通信双方CSI的平均互相关系数达到0.9895，相比于不使用CFRC的传统单天线密钥提取方案提高了41.4％。CFRC预处理后的多天线密钥提取系统KGR约为原单天线密钥提取系统KGR的1.5倍。本文的密钥提取系统在效率上相比现有的使用信道增益补偿(CGC)的密钥提取方案，平均KGR提高了5倍。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 无线网络的安全需求分析

1．1．2 基于无线信道物理层特征的密钥提取技术

1．2 国内外研究现状

1．3 现有研究存在的问题

1．4 本文主要内容与章节安排

1．4．1 本文的主要工作

1．4．2 本文章节安排

第二章 基于无线信道物理层特征的密钥提取理论基础

2．1 引言

2．2 无线信道特征

2．2．1 无线信道的互易性

2．2．2 无线信道的空间唯一性

2．2．3 无线信道的时间变化性

2．3 基于无线信道物理层特征的密钥提取模型

2．3．1 信道探测

2．3．2 预处理

2．3．3 量化

2．3．4 信息调和

2．3．5 隐私放大

2．4 无线信道特征密钥提取的性能评估标准

2．4．1 可靠性

2．4．2 效率

2．4．3 安全性

2．4．4 可行性

2．5 本章小结

第三章 基于单天线OFDM系统的信道物理层特征密钥提取方法

3．1 引言

3．2 基于单天线OFDM系统的信道物理层特征密钥提取方案

3．2．1 信道探测

3．2．2 量化

3．2．3 信息调和与隐私放大

3．3 仿真分析

3．4 本章小结

第四章 基于多天线OFDM系统的信道物理层特征密钥提取方法

4．1 引言

4．2 基于多天线OFDM系统的信道物理层特征密钥提取方案

4．2．1 信道探测系统模型

4．2．2 上行链路信道估计

4．2．3 下行链路信道估计

4．3 仿真分析

4．4 本章小结

第五章 无线信道互易性增强方案

5．1 引言

5．2 无线信道非互易性影响因素分析

5．3 CFRC预处理算法

5．4 基于主成分分析的预处理算法

5．5 仿真分析

5．6 本章小结

第六章 密钥提取原型系统的实现与实测数据分析

6．1 引言

6．2 实验系统介绍

6．2．1 密钥提取系统的控制流程

6．2．2 密钥提取系统实验平台介绍

6．3 密钥提取系统实测数据分析

6．3．1 CFRC预处理算法性能分析

6．3．2 多天线信道物理层特征的密钥提取系统性能分析

6．4 本章小结

7．1 本文工作总结

7．2 未来研究展望

致谢

参考文献

作者简介