[发明专利]一种用于无线协作通信网络的非对称信道通信密钥生成方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信领域中保密通信和信息安全领域，具体地说，是在无线协作通信系统执行保密通信时，基于信道物理特征的通信密钥生成方法。

背景技术

无线衰落信道下的中继传输已被证明是降低传输路径损耗和缓解衰落效应影响的有效手段。近年来协作通信技术备受关注，有关协作传输策略、系统容量提升措施以及协作方式等一直是研究的热点技术，而对于协作通信网络的安全问题却很少有研究学者涉及。事实上，由于无线信道自身的开放性特征，不仅面临着传统无线网络存在的窃听、捕获、伪造合法用户等攻击，而且在协作通信网络中，由于虚拟MIMO（cooperative multi-input multi-output）技术的引入还存在多中继非对称链路的密钥预分配问题、中继节点的诚信度问题、节点的拒绝服务攻击等。

解决通信安全的常用方法是采用基于公钥加密算法设计无线通信系统的安全策略，收发双方拥有共同密钥，安全通信依赖于高保密性的密钥加密，其关键是密钥生成和交换机制。在无线通信领域，一般将密钥生成划分到应用层和物理层，应用层采用逆运算、大整数分解等生成固定密钥，并以Diffie-Hellman密钥交换算法执行数据加密，以保障通信安全，但很难防范量子终端等的解密攻击，而且在协作通信网络中，密钥分发传输于各个中继节点中，很难防范中继节点的欺骗、暴力破解等；而物理层则采用扩频或跳频技术提升抗干扰能力和保密能力，但存在扩频码或跳频图样泄露或被解析等隐患。

无线通信信道具有以下典型的物理传输特征：在信道相干时间内，信道衰落将保持恒定，发射端在相干时间内二次发送信号到达接收端，信号的衰落特性基本一致。根据单向协作链路在相干时间内二次传输时信道的一致性，可以用来获得通信密钥生成的激励源。为了获得高的密钥生成率，利用接收信号相位（Received Signal Phase, RSP）信息生成通信密钥，但已有的密钥生成方法一方面未考虑多中继协作通信网络下的密钥生成和安全问题，即在多中继协作通信网络中密钥极易暴露，也无法防止群组节点的拒绝服务等攻击，另一方面密钥生成依赖于严格的对称信道特性，而在协作通信中，上下行非对称信道更为普遍存在，现有的密钥生成方法无法适用于具有非对称信道特性的无线协作通信网络密钥生成。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于无线协作通信网络的非对称信道通信密钥生成方法，其特征在于通信密钥无需通过信道传输即可达到收发双方的密钥匹配。一方面通信密钥利用多中继协作通信网络丰富的随机因素生成，可以快速获得满足加密算法需求的多位密钥，并保证通信密钥是随机且唯一的，即密钥生成的匹配率高、生成率高，而且可以动态更新密钥，从而达到防止攻击者窃听、篡改密钥的目的；另一方面，因其密钥生成方式不依赖于信道的对称性，在协同通信的随机中继选择导致的非对称信道下也能适用。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于无线协作通信网络的非对称信道通信密钥生成方法，由以下步骤组成：

步骤一、在无线协作通信网络中，为了防止集中密钥生成和多中继节点之间密钥分发带来的密钥泄漏等安全隐患，应由收发节点对（含中继节点组）各自生成通信密钥。节点A通过多中继节点协作与节点B之间执行保密通信，且传输信道特性不对称，其通信密钥生成为：首先节点A广播发送初始相位随机的信标信号，初始相位为                                                ，各中继节点与节点B接收该信标信号并执行相位估计，节点B保存该相位估计值，同时各中继节点再转发来自节点A的接收信标信号至节点B，节点B分集接收并估计各中继节点转发信号的相位值，并与本步骤前述节点B保存的相位值累加用作通信密钥生成的激励源。

步骤二：利用节点B在步骤一所得激励源作为发送信标信号初始相位，节点B广播发送该信标信号，各中继节点与节点A接收该信标信号并执行相位估计，节点A保存该相位估计值，同时各中继节点再转发来自节点B的接收信标信号至节点A，节点A分集接收并估计各中继节点转发信号的相位值，并与本步骤前述节点A保存的相位值累加用作通信密钥生成的激励源。