[发明专利]一种多用户物理层密钥分发与广播通信同时进行的方法

说明书

本发明公开了一种多用户物理层密钥分发与广播通信同时进行的方法，包括：Alice随机生成对应N个Bob的不同秘钥比特，分别将其映射为秘钥符号，每个秘钥符号对应一种激活各Bob不同接收天线的矢量；Alice选择各Bob的秘钥符号对应激活矢量的预编码，用预编码矩阵广播通信数据符号给N个Bob；每个Bob独立测量自己每根天线的平均信号接受强度或SNR估计天线矢量，通过逆映射得到自己的秘钥符号与秘钥比特；每个Bob通过观测到的天线矢量独立在自己的激活天线解调广播通信的数据符号。本发明将密钥生成过程通过多用户随机迫零技术嵌入到广播通信过程中，实现在广播通信过程中同时进行多用户物理层密钥分发，使得密钥共享不会造成多用户网络通信的中断和时延，具有良好的技术、性能和成本优势。

技术领域

本发明涉及加密信息领域，尤其涉及一种多用户物理层密钥分发与广播通信同时进行的方法。

背景技术

随着5G物联网及边缘计算网络的快速发展，大量新型的业务与应用不断涌现。无线网络中的各种保密和敏感数据等呈海量式增长，随之而来的信息安全问题越来越突出，安全性正逐渐成为各种不同业务应用的前提条件。在传统无线通信网络中，通常在网络层及上层使用基于密码学的加密技术保障系统通信安。而进行各种加密认证需要在通信双方之间建立安全的共享密钥。而在5G网络的大量新型应用场景中，如大规模IoT网络和边缘计算网络中将接入海量的资源受限传感节点，使得基于密码学的密钥分发和管理的复杂度极高甚至难以实现。基于物理信道的密钥生成与分发技术，其基本原理是利用衰落信道的随机和互易性来生成和分发合法用户间的密钥，在多径散射丰富的环境下，若攻击者距离合法用户超过1～2个物理信号波长时将无法推测出合法双方的密钥信息。

目前，关于物理层密钥生成已有一些初步的研究结果，但是当前的物理层密钥技术主要实现如何在一对或者一组用户之间生成一个共享密钥。然而实际应用中最常见的情况是需要由一个中心节点(如基站，边缘计算中心节点等)向多个不同的用户或者节点分发不同的密钥，以建立每个用户和中心节点之间的安全通信。如果利用现有的方法对每个用户逐一进行密钥分发，则对单个密钥生成的速率有很高的要求，因为在动态网络中存在大量节点接入和离开网络，使得中心节点需要频繁进行密钥的更新和分发。但是当前的方法的密钥分发速率和信道变化快慢高度相关。实验验证一个典型的3根收发天线的物理层密钥分发系，在室内信道中达到以低于10^-2数量级的密钥错误率建立一个128比特长度的AES对称加密密钥需要10秒甚至更长时间。由于当前的方法中，正常的通信过程与密钥分发不能同时进行，因此，在需要向多个用户分享不同密钥的环境中，必然造成通信的中断或者时延增大。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种多用户物理层密钥分发与广播通信同时进行的方法。

一种多用户物理层秘钥分发与广播通信同时进行的方法，包括：

每个Bob向Alice确定它所使用的接收天线数目和所需要的发送通信符号流数。

Alice随机生成将二进制机密信b_k＝(b_k1,b_k2,...,b_kN)分别对分发给每个Bob的密钥比特，其中每份b_ki,i＝1,2,...,N M_S＝log₂M包含比特.M_S为每个Bob所用的调制方式的星座信号阶数。

Alice将b_k中每M_S个比特映射为密钥符号流K＝(K₁，K₂，..,K_N)∈K；根据K的值，选择E中的不同列作为发送不同Bob的预编码的选择基准。

每个Bob依次向Alice发送导频序列，Alice估计上行等效信道H_BA并转置得到下行信道其中H_AB＝[H_AB,1；H_AB,2]对应Alice到每个Bob的信道。