基于无线信道环境的密钥生成机制研究

发布时间：2017-12-17 09:07

  本文关键词：基于无线信道环境的密钥生成机制研究

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【摘要】：物理层安全技术是信息安全和无线通信领域的交叉研究热点。利用无线信道特征生成密钥是物理层安全技术的一项重要研究内容,它为保障无线网络的安全提供了新的思路。因此,本文的选题具有重要的理论意义和广阔的应用前景。针对无线网络信道开放性、资源有限性、拓扑结构动态性和计算处理能力弱的特点,本文探讨了无线信道环境下基于不同的信道特征生成密钥的机制以及相关的密钥容量、机制评估等问题,主要取得了下述创新性研究成果：1.针对部分密钥生成机制的密钥生成速率较低的问题,本文提出了一种基于无线超宽带信道相位特征的密钥生成机制。该机制的特点在于合法通信双方利用最大似然准则估计信道响应的相位信息,通过对不同的相干时间内获取的高度相关的随机相位信息进行均匀量化得到初始密钥比特。仿真结果表明,与传统基于接收信号强度(RSS)生成密钥的机制相比,所提机制能够提高密钥生成速率。2.为了更有效地探测信道,本文提出了一种动态密钥生成机制。该机制对信道探测方法进行了改进,通过构建一个目标函数求解最佳的发送训练序列长度和探测间隔。合法通信双方依据最优解和信道相干时间动态调整发送训练序列长度,从而提高了双方信道探测结果的一致性。研究表明,与传统基于接收信号强度生成密钥的机制相比,该机制能够获得更高的密钥匹配率。3.针对利用无线信道特征生成密钥过程中密钥生成速率和密钥匹配率的矛盾问题,本文提出了一种基于无线信道多径时延的协作式密钥生成机制。该机制将多径相对时延和时延平均值的差值作为共同的量化随机数,从而降低了生成密钥的不匹配率,同时,通过引入辅助节点Relay增加了密钥生成速率。该机制能够在密钥匹配率和密钥生成速率之间取得较好的平衡,即可以在兼顾密钥一致性的前提下提高密钥生成速率。仿真和测试结果以及安全性分析表明基于无线信道多径时延的协作式密钥生成机制能够在密钥生成速率、密钥一致性和密钥随机性三项指标上获得良好的性能。4.为了探讨密钥容量问题,本文不仅从信息理论角度给出了基于互信息的普适、通用的最大密钥速率表达式；还从信号检测与估值理论角度,给出了更具实际意义的两类最大密钥速率表达式,分别是基于相位、幅度估计Cramer-Rao bound (CRB)的最大密钥速率表达式。数值计算和仿真结果验证了所给表达式推导过程的合理性与正确性。最大密钥速率表达式作为最大密钥速率的上界能够为实际的密钥生成速率提供参考标准。同时,通过对影响最大密钥速率上界的不同因素进行分析可以为完善实际的密钥生成机制提供理论依据。5.为了从估计量均方误差的CRB角度评估密钥生成机制,本文给出了多径时延估计均方误差的近似CRB,并将实际的多径时延估计均方误差与该CRB进行比较。仿真结果表明采用“分步方式多径时延估计方法”的误差曲线比采用“相关共同方式多径时延估计方法”的误差曲线更接近多径时延估计的近似CRB曲线。由此可知,“分步方式多径时延估计方法”的准确度更高,利用该方法生成的密钥一致性更强。论文最后在总结全文研究工作的基础上,展望了基于无线信道环境密钥生成技术问题的后续研究方向。
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN918.4

【参考文献】

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1 杨云川;面向物理层安全的预编码技术研究[D];北京邮电大学;2013年

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本文编号：1299519