MIMO信道下密钥生成技术和协议研究

发布时间：2020-11-05 21:35

　　 无线信道由于天然的开放性和广播性等特征,极易受到干扰和窃听等安全威胁。当前移动通信的安全保障主要是依赖于密码安全和计算复杂的传统加密机制,而在移动环境下,由于缺少固定的密钥管理设施,密钥的分发与管理将成为无线移动网络安全的重大挑战。无线信道固有的互易性、快速时变性以及空间唯一性等特征,使得依赖信道特性产生的无线密钥能够空中在线产生而无需分配,且随机性远高于固定密钥,为在物理层实现安全通信提供了可能。本文对多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)信道下密钥生成技术和协议进行研究,主要工作和创新点归纳如下:(1)基于无线信道特征的物理层密钥提取技术,合法通信双方生成初始密钥存在不一致问题。针对这一问题,首先,参考基于量化隔离带信道量化(Channel Quantization with Guard-band,CQG)算法中量化隔离带的设置,提出了一种改进的基于量化隔离带的自适应信道量化(Adaptive Channel Quantization with Guard-band,ACQG)算法。该方法通过公共信道交互修正信息,对落入量化隔离带内的信道测量值进行自适应修正,相比于CQG算法直接丢弃落入量化隔离带内信道测量值的做法,ACQG算法保证了信道测量值的有效使用。仿真结果表明,改进算法在保证密钥不一致率较低的基础上提高了密钥提取速率。其次,针对由于噪声等因素影响,通信双方部分信道测量值之间差别较大,量化隔离带的设置导致无法对差别较大的信道测量值进行修正的问题,进一步提出自适应修正信道量化(Modified Adaptive Channel Quantization,MACQ)算法,该量化算法抛弃了量化隔离带的设计,对所有信道测量值进行自适应修正。仿真结果表明,MACQ算法进一步降低了生成密钥的不一致率。(2)利用MIMO多信道特性可以提高密钥生成速率,但天线间可能存在的相关性会对后续基于子信道特征提取的密钥的随机性造成影响。针对这一问题,首先,提出了一种基于天线间相关性的改进的天线选择(Improved Correlation Based Method,ICBM)算法。相比于传统基于相关性天线选择(Correlation Based Method,CBM)算法,该改进算法在天线选择时根据某根天线与剩余天线子集整体的相关性做出判断,通过对收发天线的再选择,选择整体相关性最低的天线子集进行信号的传输。仿真分析表明,改进算法一方面降低了收发系统的复杂性;另一方面降低了天线之间的相关性,进而有效解决了基于无线信道特征提取的密钥间相关性问题。其次,设计了MIMO信道环境下密钥生成协议,利用MIMO技术提高了密钥生成速率,且生成的密钥可以通过随机性测试。
【学位单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN918
【文章目录】：
摘要
abstract
专用术语注释表
第一章 绪论
    1.1 研究背景及意义
        1.1.1 无线通信安全现状
        1.1.2 课题的研究意义
    1.2 国内外研究现状
    1.3 现有技术存在问题
        1.3.1 非完美互易信道估计对密钥提取的影响
        1.3.2 密钥生成过程中性能之间的博弈
        1.3.3 缓变无线信道下密钥的有效提取
    1.4 本文主要工作及结构安排
        1.4.1 本文主要工作
        1.4.2 本文结构安排
第二章 基于无线信道特征的物理层安全技术和MIMO系统
    2.1 基于无线信道特征的物理层安全技术
        2.1.1 无线信号传播特性
        2.1.2 无线信道特征
        2.1.3 无线密钥生成协议
        2.1.4 密钥生成协议性能标准
    2.2 MIMO系统与物理层安全
        2.2.1 MIMO系统原理
        2.2.2 MIMO窃听模型
        2.2.3 MIMO信道选择
    2.3 本章小结
第三章 降低初始密钥不一致率量化算法
    3.1 经典量化算法
        3.1.1 基本原理
        3.1.2 经典量化算法性能分析对比
    3.2 基于量化隔离带的密钥生成方法分析
        3.2.1 方法描述
        3.2.2 性能分析与仿真
    3.3 降低初始密钥不一致率量化方法
        3.3.1 ACQG量化方法基本原理
        3.3.2 MACQ量化方法基本原理
        3.3.3 性能仿真分析
    3.4 本章小结
第四章 MIMO信道下密钥生成协议设计
    4.1 传统天线选择算法分析
        4.1.1 传统天线选择算法介绍
        4.1.2 仿真结果与分析
    4.2 改进的基于信道相关性的天线选择算法
        4.2.1 算法基本原理
        4.2.2 仿真结果与分析
    4.3 MIMO信道下密钥生成协议设计
        4.3.1 密钥生成协议整体描述
        4.3.2 Cascade密钥协商算法描述
        4.3.3 Hash函数密钥增强描述
        4.3.4 仿真结果与分析
    4.4 本章小结
第五章 总结与展望
    5.1 论文总结
    5.2 工作展望
参考文献
附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文
附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目
致谢

【参考文献】

相关期刊论文 前4条

1 李古月;胡爱群;石乐;;无线信道的密钥生成方法[J];密码学报;2014年03期

2 胡爱群;李古月;;无线通信物理层安全方法综述[J];数据采集与处理;2014年03期

3 蔡文炳;张水莲;;密钥生成系统中的改进量化算法研究[J];信息工程大学学报;2013年02期

4 张春田;;最小均方误差量化器的迭代设计方法[J];信号处理;1993年01期

本文编号：2872220