基于信道特征的物理层密钥提取方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信技术中的物理层安全领域，设及一种改进的基于无线信道互 易性的密钥生成方法，具体设及一种基于信道特征的物理层密钥提取方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着无线移动通信的快速发展，无线网络的用户数目及应用范围不断增 加，无线通信的安全性随之也愈发受到人们的关注。传统的安全手段多是依靠认证和密码 技术，通过网络上层协议来实施，而与物理层相对独立。鉴于无线通信天然的开放性和广播 性，传统算法所提供的计算安全性受到业界的广泛质疑。为此，从物理层的角度研究无线通 信的安全性逐渐成为一个研究热点。
[0003] 与传统加密方法不同，无线通信物理层安全方法基于化annon和Wyner提出的保 密通信理论，利用物理层本质特征建立加密机制。目前，针对不同的信道特征，各种实际的 密钥生成方案相继被提出。在该些方案中密钥生成的主要流程可分为四步：信道测量，量 化，信息协商，保密增强，并且W密钥生成速率、密钥的不一致率、生成密钥的随机性为主要 指标分析方案的性能。
[0004] 基于leve^L-crossing的密钥生成方案由C.化等于2008年提出[C.Ye,S. Mathur,A.Reznik,Y.Shah,W.Trappe,andN.Mandayam, "Information-theoretically secretkeygenerationforfadingwirelesschannels, "IEEETrans.Info.Forensics Security,vol. 5,no. 2,卵.240 - 254, 2010]，该方案提出了leve^L-crossing算法，利用信 道特征序列中存在的游程提取密钥比特串，并W该些游程的位置信息作为协商信息。该方 案生成的密钥比特串的不一致率低，且实现简单，但是密钥的生成速率较低。
[0005] 为了提高密钥的生成速率，N.Patwari等人于2009年了提出HRUBE方案， [N.Patwari,J.Croft,andS.Jana, "High-rateuncorrelatedbitextractionfor sharedsecretkeygenerationfromchannelmeasurements, "IEEETrans.Mobile Comput.，vol.9，pp. 17-30,Jan. 2009.]该方案提出了一种多比特自适应量化方案（MA曲， 可W从一个信道特征采样值中提出多个比特的密钥，大大增加了密钥的生成速率，其缺点 是通信双方生成的密钥不一致率较高，且生成的密钥串需经过密钥增强去除冗余信息。
【发明内容】
[0006] 本发明针对上述现有技术存在的问题作出改进，即本发明要提供一种基于信道特 征的物理层密钥提取方法，该方法比leve^crossing密钥生成方案有更高的密钥生成速 率，比HRUBE方案有着更好的密钥的不一致率，并且该方法生成的密钥比特串满足随机性 要求，无需密钥增强处理。
[0007] 具体地，本发明提供了如下的技术方案；
[0008] -种基于信道特征的物理层密钥提取方法，包括如下步骤：
[000引步骤1 ;信道估计，通过信道估计获得合法通信双方的信道特征序列；此频率t互 发双方已知的探测信号，分别得到信道特征序列hg和hb。
[0010] 步骤2 ;利用改进的leve^crossing算法对信道特征序列进行筛选和累加处理： 基于信道特征序列的统计特性设置两个口限电平屯，q_;基于改进的leve^crossing算法 筛选出hg和hb中长度大于m的游程，该里定义游程为连续大于q+或连续小于q_的子序列 串；将每个游程中屯、的m-1个信道特征序列值进行累加。合法通信双方通过此处理，得到序 列S。和Sb。
[0011]步骤3;利用化变换去除S。和S b中序列值之间的相关性，得到不相关的序列X郝 Xb°
[001引步骤4 ;利用多比特自适应量化（MA曲方案，将X。和Xb量化为二进制比特串，即生 成密钥比特串。
[0013] 本发明的有益效果是：本发明通过引入改进的leve^crossing算法，筛选出信道 特征序列中存在的游程，并将各个游程的信道特征值进行累加处理，提高了相对信噪比，为 采用多比特量化提供了可能；
[0014] 本发明引入了化变换，使得生成的密钥比特串满足随机性要求，避免了密钥增强 处理；
[0015] 本发明采用了多比特自适应量化（MAQ)，提高了密钥的生成速率。
【附图说明】
[0016] 附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实 施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0017] 图1为本发明方法的流程图；
[0018]图 2 为fs=1200Hz，1 = 1，f d二l〇Hz，m= 10 时，所提方案和leve^L-crossing方 案，HRUBE方案的密钥不一致率性能比较图；从图中可W看出，所提方案比leve^crossing 方案、HRUBE方案有着更好的密钥不一致率。
[001引 图3为片二1000化，fd= 10化，1 = 2,不同信噪比条件下，密钥的不一致率Pbd随 着最小游程长度m的变化情况图；
[0020] 图4为m=20，fs= 2000Hz，fd二lOHz，不同量化比特数1下，密钥的不一致率PcD与信噪比的关系图；
[002。 图5为fd=lOHz，1 = 2,不同最小游程长度m下，密钥的生成速率与探测信号发 送速率的关系图。
【具体实施方式】
[0022] 如图1-5所示，本发明公开一种基于信道特征的物理层密钥提取方法，包括如下 步骤：
[0023]S1 ;信道估计，通过信道估计获得合法通信双方的信道特征序列：W频率f,互发 双方已知的探测信号，分别得到信道特征序列h。和hb;
[0024]S2;利用改进的leve^crossing算法对信道特征序列进行筛选和累加处理，基于 信道特征序列的统计特性设置两个口限电平屯，心基于改进的leve^crossing算法筛选 出hg和hb中长度大于m的游程，定义游程为连续大于q+或连续小于q_的子序列串；将每 个游程中屯、的m-1个信道特征序列值进行累加，合法通信双方通过此处理，得到序列Sg和 Sb;
[002引 S3 ;利用Karhunen-Lo自ve变换去除S。和Sb中序列值之间的相关性，得到不相关的 序列X。和Xb;
[002引S4 ;采用多比特自适应量化将X。和Xb转化为二进制比特串，即生成密钥比特串。
[0027] 下面结合实施例做具体的说明，由图1可W看出，本发明方案包括4个阶段：信道 估计、改进的leve^crossing算法、化变换去相关、多比特自适应（MA曲量化。其具体步 骤如下：
[0028] 步骤1 ;Alice和Bob互发探测信号估计两者之间的信道特征。由于噪声、硬件差 异、发送探测信号的非同步，使得通信两端估计的信道特征序列存在不一致。该里将通信两 端估计的信道特征序列表示为
其中h为实际的信道特征序列，功率为P;z。，Zb 视为估计误差，服从N(0,o2)的高斯白噪声。定义信噪比= ^
[0029] 步骤2 ;利用改进的leve^crossing算法对信道特征序列h。,hb进行