基于信道特征提取的密钥生成研究

摘要

最近几年，无线通讯技术获得了迅猛的发展，无线信道的开放性使得这种通信方式面临着与有线通信方式相比更为严峻的安全威胁。传统安全方案的安全性一方面基于算法的复杂性，另一方面依靠密钥的随机性和保密性。要增强安全方案的安全性，传统手段是设计更为复杂的安全算法或增加密钥的分组长度，但这样就不断的增加了算法执行的复杂度，不利于无线通讯设备朝小型化发展的趋势。物理层安全技术突破了传统安全解决方案，它利用物理信道具有随机性这一天然优势来产生密钥，这既能大大提高密钥的生成效率，在理想情况下，还能够逼近香农提出的“一次一密”保密方案，从而有效提高安全方案的安全性能。所以物理层安全技术自提出之日起，就引起了国内外学者的广泛关注。
　　在物理层安全技术中，基于信道特征的密钥产生技术是其中最为关键的技术。本文正是针对这一技术展开研究，主要研究内容如下：
　　（1）对于现有的基于物理信道的密钥生成方案进行了详细的分析和总结。本文发现现有方案存在以下三个主要缺陷：第一，在主动攻击者实施干扰信道攻击时，没有较优的密钥生成方案来抵御这类攻击；第二，缺乏针对超宽带系统的最佳特征提取算法；第三，在密钥协商阶段，现有大部分方案仅仅只考虑了密钥一致性问题，而忽略了密钥协商过程中的初始密钥泄漏问题。
　　（2）针对第一个缺陷，本文研究了基于随机探测信号的密钥生成方案。该方案将现有生成方案中的固定探测信号改为随机探测信号，再与信道冲激函数进行卷积，从而得到新的特征提取信号。这种方案所生成的密钥不仅包含信道的随机性，而且还包含随机信号的随机性，因此，它能够较好地抵御信道主动干扰攻击。
　　（3）针对第二个缺陷，本文提出了基于多径时延优选提取算法的密钥生成方案。该算法的原理是对接收端所接收到的多径时延按照互相度的大小进行快速排序，选出相关性最大的k个值作为信道特征进行提取。基于这种算法的密钥生成方案能够比较大地提高初始安全密钥的一致性，从而大大降低密钥协商的开销。
　　（4）针对第三个缺陷，本文研究了基于混淆及 RS码协商的密钥生成方案。该方案的原理是在协商阶段先对需要传输的密钥进行混淆处理，再利用RS码对两端初始密钥进行纠错得到完全一致的密钥。这种方案既保证了两端密钥的一致性，同时也降低了密钥在传输过程中的泄漏风险。
　　（5）本文研究了将以上三种改进算法结合到一起的方案，给出了仿真分析。

目录

声明

缩略词表

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3本文研究内容与主要工作

1.4本文安排

第二章 基础知识

2.1基础知识

2.2物理层密钥生成算法的性能指标

2.3本章小结

第三章 现有密钥生成方案

3.1基本原理

3.2现有的物理层密钥生成方案

3.3本章小结

第四章 密钥生成方案设计

4.1基于随机探测信号的密钥生成方案

4.2基于多径时延优选提取的密钥生成方案

4.3基于混淆及RS码协商的密钥生成方案

4.4综合改进的密钥生成方案

4.5本章小结

第五章 总结与展望

5.1本文总结

5.2进一步的工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间获得成果