本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種無需進(jìn)行信道估計(jì)的無線密鑰生成方法。

背景技術(shù)：

隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，無線通信中存在的種種安全問題逐漸顯露出來。在傳統(tǒng)的有線通信條件下，用戶可以通過建立通信專線的方式，實(shí)現(xiàn)授權(quán)用戶與非授權(quán)用戶之間的物理隔離。對(duì)于無線通信來說，無線信號(hào)存在廣播特性，傳輸距離大、范圍廣，無法像有線通信一樣，通過建立專屬的通信鏈路來保障安全。又由于現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)的高層協(xié)議繼承自有線通信系統(tǒng)，對(duì)于物理層的安全保障有限，因此現(xiàn)有的無線通信安全在物理層存在短板。

然而另一方面，由于無線環(huán)境十分復(fù)雜，無線信道具有很強(qiáng)的隨機(jī)特性，是一種天然的隨機(jī)源，且現(xiàn)有研究表明，對(duì)于合法通信雙方來說，無線通信的上下行信道具有互易性，合法通信雙方可以估計(jì)得到相同的信道參數(shù)。將無線信道參數(shù)作為一種“指紋”，構(gòu)建僅存于合法通信雙方間的私密通信管道，就可能彌補(bǔ)無線通信安全在物理層存在的短板。

近年來，無線通信安全領(lǐng)域?qū)τ诶脽o線信道參數(shù)提取密鑰方案的研究發(fā)展迅速，在該方案中，合法通信雙方分別對(duì)上下行無線信道進(jìn)行估計(jì)，從估計(jì)所得信道參數(shù)中提取密鑰。然而未來無線通信網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中，物聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)的出現(xiàn)為現(xiàn)有物理層密鑰生成方案的研究帶來了新的挑戰(zhàn)。在這些新型網(wǎng)絡(luò)中，通信節(jié)點(diǎn)體積小，計(jì)算能力有限，且需要長(zhǎng)期保持工作，需要將其功耗限制在較低水平。而現(xiàn)有物理層密鑰生成方案中，信道估計(jì)過程將造成較大的開銷，不再適用于上述新型無線通信網(wǎng)絡(luò)，需要采取更加合適的輕量級(jí)密鑰生成方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提供一種無需進(jìn)行信道估計(jì)的無線密鑰生成方法，使合法通信雙方在正常通信過程中，直接從接收信號(hào)中提取密鑰，從而使接收方避免了信道估計(jì)的過程。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下的技術(shù)方案：

一種無需進(jìn)行信道估計(jì)的無線密鑰生成方法，包括以下步驟：

步驟a，合法通信雙方事先約定相同的發(fā)送信號(hào)序列；

步驟b，合法通信雙方分別選定天線及發(fā)送方式用于信號(hào)收發(fā)；

步驟c，合法通信雙方采用相同方式對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行采樣量化，生成密鑰序列；

步驟d，合法通信雙方對(duì)步驟c生成的密鑰序列進(jìn)行一致性協(xié)商，去除或者糾正雙方生成密鑰中的不一致位，得到一致的密鑰序列；

步驟e，合法通信雙方分別對(duì)步驟d中得到的一致的密鑰序列采用私密放大算法進(jìn)行處理，得到最終密鑰。

在步驟c之前還包括，合法通信雙方相互發(fā)送約定信號(hào)序列，對(duì)步驟b中選定的天線上接收到的信號(hào)進(jìn)行處理。

所述合法通信雙方相互發(fā)送約定信號(hào)序列，該信號(hào)序列采用已經(jīng)公開的序列或者合法通信雙方事先約定的任意序列；合法通信雙方在相干時(shí)間內(nèi)輪流發(fā)送約定信號(hào)序列或者采用同時(shí)同頻全雙工技術(shù)發(fā)送約定信號(hào)序列。

在步驟e之后還包括，如需增加密鑰長(zhǎng)度或者更新密鑰，轉(zhuǎn)至步驟a或者步驟b重新開始上述流程。

所述無需進(jìn)行信道估計(jì)的無線密鑰生成方法適用于以下場(chǎng)景：

a.節(jié)點(diǎn)信號(hào)處理能力較弱的輕量級(jí)通信場(chǎng)景；

b.合法通信雙方均為單天線的場(chǎng)景；

c.合法通信雙方中一方為多天線或者雙方均為多天線的場(chǎng)景；

d.點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信場(chǎng)景；

e.點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，即以發(fā)送方為中心節(jié)點(diǎn)或者基站，具有多個(gè)接收方節(jié)點(diǎn)或者用戶的星形結(jié)構(gòu)無線通信系統(tǒng)。

在所述步驟b中，合法通信雙方分別選定天線用于信號(hào)收發(fā)，可采用任意方式選定天線，合法通信雙方對(duì)于天線的選定方式不必相同，無需事先約定。

所述步驟d的實(shí)現(xiàn)方法是：

步驟d1，合法通信雙方在公開信道中發(fā)送密鑰協(xié)商序列，去除或者糾正雙方生成密鑰中的不一致位；

步驟d2，如果一次協(xié)商后，合法通信雙方的密鑰序列仍然不一致，重復(fù)步驟d1，直至得到一致的密鑰序列。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.本發(fā)明無需進(jìn)行信道估計(jì)的無線密鑰生成方法，可以在合法通信雙方不進(jìn)行信道估計(jì)的條件下，從接收的信號(hào)中，直接提取密鑰，避免了信道估計(jì)過程，減小了開銷，適用于物聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)等節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力較低、功率受限的場(chǎng)景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種無需進(jìn)行信道估計(jì)的無線密鑰生成方法的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明在合法通信雙方為多天線場(chǎng)景下的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信示意圖；

圖3為本發(fā)明在合法通信雙方為單天線場(chǎng)景下的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信示意圖；

圖4為本發(fā)明在各通信節(jié)點(diǎn)為多天線場(chǎng)景下的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信示意圖；

圖5為本發(fā)明在各通信節(jié)點(diǎn)為單天線場(chǎng)景下的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述：

實(shí)施例一，請(qǐng)參考圖1，針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)等新型網(wǎng)絡(luò)中，由于通信節(jié)點(diǎn)存在體積小，計(jì)算能力低、功率受限等問題，不宜完成大量信道估計(jì)的問題，故提出一種無需進(jìn)行信道估計(jì)的無線密鑰生成方法，從接收信號(hào)中直接生成密鑰，避免信道估計(jì)過程。

本實(shí)施例提供一種無需進(jìn)行信道估計(jì)的無線密鑰生成方法，包括以下步驟：

步驟s101，合法通信雙方事先約定相同的發(fā)送信號(hào)序列；

步驟s102，合法通信雙方分別選定天線及發(fā)送方式用于信號(hào)收發(fā)；

步驟s103，合法通信雙方相互發(fā)送約定信號(hào)序列，對(duì)步驟s102中選定的天線上接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，可采用求和處理。

所述合法通信雙方相互發(fā)送約定信號(hào)序列，該信號(hào)序列采用已經(jīng)公開的序列或者合法通信雙方事先約定的任意序列；合法通信雙方在相干時(shí)間內(nèi)輪流發(fā)送約定信號(hào)序列或者采用同時(shí)同頻全雙工技術(shù)發(fā)送約定信號(hào)序列。

步驟s104，合法通信雙方采用相同方式對(duì)步驟s103中的處理結(jié)果進(jìn)行采樣量化，生成密鑰序列；

步驟s105，合法通信雙方對(duì)步驟s104生成的密鑰序列進(jìn)行一致性協(xié)商，去除或者糾正雙方生成密鑰中的不一致位，得到一致的密鑰序列；

步驟s106，合法通信雙方分別對(duì)步驟s105中得到的一致的密鑰序列采用私密放大算法進(jìn)行處理，得到最終密鑰；

步驟s107，如需增加密鑰長(zhǎng)度或者更新密鑰，轉(zhuǎn)至步驟s101或者步驟s102重新開始上述流程。

本發(fā)明無需進(jìn)行信道估計(jì)的無線密鑰生成方法，可適用于以下場(chǎng)景：

a.節(jié)點(diǎn)信號(hào)處理能力較弱的輕量級(jí)通信場(chǎng)景；

b.合法通信雙方均為單天線的場(chǎng)景；

c.合法通信雙方中一方為多天線或者雙方均為多天線的場(chǎng)景；

d.點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信場(chǎng)景；

e.點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，即以發(fā)送方為中心節(jié)點(diǎn)或者基站，具有多個(gè)接收方節(jié)點(diǎn)或者用戶的星形結(jié)構(gòu)無線通信系統(tǒng)，包括采用時(shí)分多址、頻分多址、空分多址、碼分多址等多址方式的無線通信系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。

在所述步驟s102中，合法通信雙方分別選定天線用于信號(hào)收發(fā)，可采用任意方式選定天線，合法通信雙方對(duì)于天線的選定方式不必相同，無需事先約定。

所述步驟s105的實(shí)現(xiàn)方法是：

步驟s105a，合法通信雙方在公開信道中發(fā)送密鑰協(xié)商序列，去除或者糾正雙方生成密鑰中的不一致位；

步驟s105b，如果一次協(xié)商后，合法通信雙方的密鑰序列仍然不一致，重復(fù)步驟s105a，直至得到一致的密鑰序列。

實(shí)施例二，請(qǐng)參考圖2，本實(shí)施例為本發(fā)明在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信場(chǎng)景中，合法通信雙方中一方為多天線或雙方均為多天線的條件下，利用接收信號(hào)直接生成密鑰的方法，該方法包括以下步驟：

步驟s201，合法通信雙方事先約定好用于密鑰生成過程的發(fā)送信號(hào)序列；

其中，發(fā)送信號(hào)序列可以采用周期較長(zhǎng)的m序列，即偽隨機(jī)序列作為源信號(hào)。

步驟s202，合法通信雙方分別選定天線及發(fā)送方式，選擇全部或者部分天線用于發(fā)送約定信號(hào)序列；

步驟s203，合法通信雙方在選定的發(fā)送天線上發(fā)送相同的約定信號(hào)序列，并得到自身選定的天線上接收到的信號(hào)之和；

步驟s204，合法通信雙方分別對(duì)各自的接收信號(hào)序列采用相同方式進(jìn)行采樣量化，生成密鑰序列；

在此步驟中，可以采用簡(jiǎn)單的均勻量化方式，也可以采用其他量化方式，但量化方式需要合法通信雙方已知。

步驟s205，合法通信雙方相互發(fā)送密鑰協(xié)商序列，對(duì)步驟s204生成密鑰中的不一致位進(jìn)行糾正，得到一致的密鑰序列；

其中，密鑰協(xié)商可以采用cascade算法或者winnow算法，也可以根據(jù)需要采用其他協(xié)商算法。

步驟s206，合法通信雙方分別對(duì)步驟s205中得到的一致的密鑰序列采用私密放大算法進(jìn)行處理，得到最終密鑰；

其中，私密放大算法可以采用基于哈希函數(shù)的方法。

步驟s207，如需增加密鑰長(zhǎng)度或者更新密鑰，可以從步驟s201重新開始上述流程，也可以選擇從步驟s202重新開始上述流程。

實(shí)施例三，請(qǐng)參考圖3，實(shí)施例三的場(chǎng)景與實(shí)施二相類似，此時(shí)收發(fā)兩端均為單天線，不同之處在于：

步驟s302，合法通信雙方分別選定信號(hào)發(fā)送方式，用于發(fā)送約定信號(hào)序列；

步驟s303，合法通信雙方發(fā)送相同的約定信號(hào)序列，并存儲(chǔ)自身天線上接收的信號(hào)。

重復(fù)步驟s302和步驟s303，直到接收的信號(hào)足以用于密鑰生成。

實(shí)施例四，請(qǐng)參考圖4，本發(fā)明在點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信場(chǎng)景下利用接收信號(hào)直接生成密鑰的方法，當(dāng)通信節(jié)點(diǎn)中存在多天線節(jié)點(diǎn)時(shí)，該方法包括以下步驟：

步驟s401，中心節(jié)點(diǎn)及各接收方節(jié)點(diǎn)約定好用于密鑰生成過程的發(fā)送信號(hào)序列；

其中，發(fā)送信號(hào)序列可以采用周期較長(zhǎng)的m序列，即偽隨機(jī)序列作為源信號(hào)。

步驟s402，中心節(jié)點(diǎn)及各接收方節(jié)點(diǎn)分別選定天線及發(fā)送方式，選擇全部或者部分天線用于發(fā)送約定信號(hào)序列；

步驟s403，中心節(jié)點(diǎn)及各接收方節(jié)點(diǎn)分別在選定的發(fā)送天線上發(fā)送相同的約定信號(hào)序列，各接收方節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)自身選定的天線上接收到的信號(hào)之和，中心節(jié)點(diǎn)針對(duì)每個(gè)接收方節(jié)點(diǎn)，存儲(chǔ)自身選定的天線上接收到的信號(hào)之和；

步驟s404，中心節(jié)點(diǎn)及各接收方節(jié)點(diǎn)分別對(duì)各自的接收信號(hào)序列采用相同方式進(jìn)行采樣量化，生成密鑰序列；

在此步驟中，可以采用簡(jiǎn)單的均勻量化方式，也可以采用其它量化方式，但量化方式需要各節(jié)點(diǎn)已知。

步驟s405，中心節(jié)點(diǎn)與各接收方節(jié)點(diǎn)間相互發(fā)送密鑰協(xié)商序列，對(duì)步驟s404生成密鑰中的不一致位進(jìn)行糾正，得到一致的密鑰序列；

其中，密鑰協(xié)商可以采用cascade算法或者winnow算法，也可以根據(jù)需要采用其他協(xié)商算法。

步驟s406，中心節(jié)點(diǎn)及各接收方節(jié)點(diǎn)分別對(duì)步驟s405中得到的一致的密鑰序列采用私密放大算法進(jìn)行處理，得到最終密鑰；

其中，私密放大算法采用基于哈希函數(shù)的方法。

步驟s407，如需增加密鑰長(zhǎng)度或者更新密鑰，可以從步驟s401重新開始上述流程，也可以選擇從步驟s402重新開始上述流程。

實(shí)施例五，請(qǐng)參考圖5，實(shí)施例五場(chǎng)景與實(shí)施例四場(chǎng)景類似，不同之處在于，此時(shí)中心節(jié)點(diǎn)及各接收方節(jié)點(diǎn)均為單天線，不同之處在于：

步驟s502，中心節(jié)點(diǎn)及各接收方節(jié)點(diǎn)分別選定發(fā)送方式，用于發(fā)送約定信號(hào)序列；

步驟s503，中心節(jié)點(diǎn)及各接收方節(jié)點(diǎn)分別發(fā)送相同的約定信號(hào)序列，各接收方節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)接收到的信號(hào)，中心節(jié)點(diǎn)針對(duì)每個(gè)接收方節(jié)點(diǎn)，存儲(chǔ)天線上接收到的信號(hào)。

重復(fù)步驟s502、步驟s503，直到接收的信號(hào)足以用于密鑰生成。

本發(fā)明是一種避免進(jìn)行信道估計(jì)，直接從接收信號(hào)中提取密鑰的一種輕量級(jí)密鑰生成方案，相對(duì)于傳統(tǒng)的密鑰生成方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)、該密鑰生成方案無需進(jìn)行信道估計(jì)，減小了密鑰生成開銷；(2)、該密鑰生成方案直接從接收信號(hào)中提取密鑰，實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，是一種輕量級(jí)的加密方法。

以上所示僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。