[发明专利]一种物理层密钥生成过程中的非均匀量化方法

说明书

一种物理层安全密钥生成过程中的非均匀量化方法，合法通信双方之间测量到的无线信号强度RSS建模为相关系数为ρ的二维高斯分布，其相关系数表示双方测量值之间的互异程度；对各自测量得到的RSS值做标准化处理；对RSS累积分布函数的[0,1]区间上，做13折线PCM量化方法相同的非均匀量化，量化端点值经过RSS累积分布函数的逆函数映射到RSS域中，作为对RSS量化的端点。本发明利用信道信息强度RSS累积分布做非均匀量化，与均匀量化相比，具有更低的比特失配率，为后续的信息协调步骤提供了更好的基础。

技术领域

本发明涉及无线通信和信息安全技术领域，具体涉及一种物理层密钥生成过程中的非均匀量化方法。

背景技术

随着通信技术的不断发展，无线通信在人类生活中逐渐占据重要的地位。由于电磁空间的开放性及电磁信号传输的辐射性，承载着重要信息的通信信号完全暴露在自由空间中，以及无线通信协议的标准化，使得移动数据在传输过程中容易遭到非法用户的窃听，极有可能导致用户隐私、财务等个人重要信息的泄露。在物理层安全通信中，利用无线通信时分系统的互易性特性，通过测量和编码，可以在两个无线节点之间生成和共享密钥。由于窃听者与合法通信者的空间位置的不同，无线信道也随之不同，因此基于随机性的无线信道获取的密钥，具有很好的随机性和保密性。获取共享密钥的经典流程包括信道测量，量化，信息调和，保密增强。

现有的无线网卡，无需任何修改，就可以测量每一帧的无线信号强度(RSS)，所以RSS是最普遍使用的无线信道特征参数。然而，RSS比较容易获得数据，但此参数提供了无线信道的粗略信息，往往存在提取密钥比特速率较低、以及较高的比特失配率的问题。

发明内容

为了降低密钥生成过程中量化部分的比特失配率，本发明提出了一种物理层密钥生成过程中的非均匀量化方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种物理层密钥生成过程中的非均匀量化方法，所述基于物理层安全密钥生成过程包括以下步骤：

1)信道测量：合法通信双方通过测量公共信道的接收信号强度，进而获取两者之间的随着时间波动的无线信号强度RSS值；

2)量化：将测量值用非均匀量化方法转换为一串密钥比特，对各自测量得到的RSS值经过标准化处理；RSS的累积分布函数，在其[0,1]区间内，按照1/2、1/4、1/8、1/16…的长度进行划分，端点值(0、1/2、3/4、7/8、15/16、…、1)经过RSS累积分布函数的逆函数映射到RSS域中，作为对RSS量化的端点(-∞、0、…和+∞)；

3)信息协调：应用一种信息调和协议丢弃或者纠正通信双方密钥比特的差异。

4)保密增强：丢弃部分一致的比特或者执行某种比特转换来强化密钥，增大密钥的熵并且模糊窃听者在上一个信息协调步骤中可能获取的局部信息。

进一步，把合法通信双方测量到的RSS建模为二维高斯分布，其联合概率密度函数为

其中，R_i,μ_i,i∈{A,B}分别表示通信双方Alice和Bob各自测量得到RSS的随机变量、相应的均值和方差；相关系数ρ用来度量信道互易程度，其定义为

根据信道的互易性定理，通信双方在无线信道的相干时间内测量得到的RSS应该是相同的；然而，由于信道噪声、无线信道的半双工性质以及物理器件的不一致性造成测量值的不一致；采用相关系数来表示互易程度的大小，当ρ＝0表示上下行信道相互独立，不存在互易性；当ρ＝1时表示上下行信道完全互易。

再进一步，推导出了二电平均匀量化时的比特失配率闭合解；通过推导结合Mathematica数值积分计算，指出了四电平均匀量化为比特失配率最高的一种量化方法，过程如下：