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CN111711518B - 一种多用户物理层密钥分发与广播通信同时进行的方法 - Google Patents

一种多用户物理层密钥分发与广播通信同时进行的方法 Download PDF

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CN111711518B CN202010758177.3A CN202010758177A CN111711518B CN 111711518 B CN111711518 B CN 111711518B CN 202010758177 A CN202010758177 A CN 202010758177A CN 111711518 B CN111711518 B CN 111711518B
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Abstract

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。

Description

一种多用户物理层密钥分发与广播通信同时进行的方法
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bk＝(bk1,bk2,...,bkN)分别对分发给每个Bob的密钥比特，其中每份bki,i＝1,2,...,N MS＝log2M包含比特.MS为每个Bob所用的调制方式的星座信号阶数。
Alice将bk中每MS个比特映射为密钥符号流K＝(K1，K2，..,KN)∈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HBA并转置得到下行信道
Figure BDA0002612271130000021
其中HAB＝[HAB,1；HAB,2]对应Alice到每个Bob的信道。
Alice对每一个Bob，选择其W(Ki)中对应E(:,K+1)中非零的列数W(e)。
Alice利用W(e)发送m帧不同的符号流s1，s2，....sm，则每个Bob都各自接收m帧符号流y1，y2，....ym，每个Bob每次接收到信号为NB维向量
Figure BDA0002612271130000022
每个Bob根据自己接收信号y1，y2，....ym观察出自己当前的密钥符号k。
每个Bob根据自己在S7中观测到的e中N个非零元素坐标对应的天线下独立解调m帧s1，s2，....sm通信数据符号
Figure BDA0002612271130000023
完成通信，其中：
Figure BDA0002612271130000024
重复上述通信与密钥分发过程，直至每个Bob已经得到一个L比特长度的密钥
Figure BDA0002612271130000025
Bob与Alice分别进行密钥一致性确认，若Bob的密钥与Alice分享的一致，则该次密钥分享完成。
进一步的，所述秘钥符号流的参数满足如下关系：Bob选择所需要的接收天线数量NB和Alice同时传输的通信数据调制符号流数N，其中1≤N≤NB-1，使得：
Figure BDA0002612271130000026
则
K＝{0,1,2…，Nk-1}。
进一步的，Alice按照如下处理得到备选预编码空间W：
Figure BDA0002612271130000027
Figure BDA0002612271130000031
Alice根据每个Bob的接收天线数目，将W对应的列划分为相应的空间。
进一步的，所述W(Ki)中对应E(:,K+1)中非零的列数为W(e)：
W(ei)＝W(Ki)E(:,K+1)
Alice将每个W(ei)合并为W(e)＝[W(e1),....,W(eN)]。
进一步的，观察秘钥符号k包括两种方法：基于SPN的观察方法和基于SNR的观察方法；所述基于SPN的观察方法为：每个Bob直接测量每根天线的m帧符号平均信号加噪声强度SPN如下：
Figure BDA0002612271130000032
若为实信号调制，例如BPSK则可直接选择接收信号的实部进行测量；Bob选择出其中最大的N个αi，其下标为e中非零元素所对应的位置；Bob观测到e后根据e得到观测到的的密钥符号K和密钥比特
Figure BDA0002612271130000033
所述基于SNR的方法为：Bob直接测量每根天线的m帧符号平均信噪比SNR，具体可采用不同的SNR估计方法，以M2M4SNR估计方法位列，同样选择出信噪比最大的N个SNR的天线，，其下标即是e中非零元素所对应的位置。Bob因此得到观测的e，然后根据e得到观测到的密钥符号K和密钥比特
Figure BDA0002612271130000034
本发明有如下优势：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，密钥生成的过程中始终保证多用户的数据传输不会中断；低开销：本发明的密钥分发双方只需进行单向导频发送，无需进行导频互发；低复杂度和高安全性:本发明的密钥分发过程无需双方进行密钥量化、协商和隐私放大，因此无需双方在公共信道上进行与上述过程相关的多次交互协商，避免了信息泄露的隐患。
附图说明
图1是一种多用户物理层密钥分发与广播通信同时进行的方法流程图。
图2是一种多用户物理层密钥分发与广播通信同时进行的方法模型图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
在本实施例中，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bk＝(bk1,bk2,...,bkN)分别对分发给每个Bob的密钥比特，其中每份bki,i＝1,2,...,N MS＝log2M包含比特.MS为每个Bob所用的调制方式的星座信号阶数。
Alice将bk中每MS个比特映射为密钥符号流K＝(K1，K2，..,KN)∈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HBA并转置得到下行信道
Figure BDA0002612271130000041
其中HAB＝[HAB,1；HAB,2]对应Alice到每个Bob的信道。
Alice对每一个Bob，选择其W(Ki)中对应E(:,K+1)中非零的列数W(e)。
其中以Bob的天线数NB＝2条件下密钥符号映射到天线矢量为例，如果NB＝2,N＝1，则K＝2，所有可能的天线组合E表示为：
Figure BDA0002612271130000042
其中E的第一个列向量e1中的1表示激活Bob的第一根天线，0表示不激活的Bob第二根天线，依次类推。
Alice利用W(e)预编码发送符号流s＝(s1,..,sN)。
Alice利用W(e)发送m帧不同的符号流s1，s2，....sm，则每个Bob都各自接收m帧符号流y1，y2，....ym，每个Bob每次接收到信号为NB维向量
Figure BDA0002612271130000043
每个Bob根据自己接收信号y1，y2，....ym观察出自己当前的密钥符号k。
每个Bob根据自己在S7中观测到的e中N个非零元素坐标对应的天线下独立解调m帧s1，s2，....sm通信数据符号
Figure BDA0002612271130000044
完成通信，其中：
Figure BDA0002612271130000045
根据最大似然译码算法，按照上式重复上述通信与密钥分发过程，直至每个Bob已经得到一个L比特长度的密钥
Figure BDA0002612271130000051
Bob与Alice分别进行密钥一致性确认，若Bob的密钥与Alice分享的一致，则该次密钥分享完成。
进一步的，所述秘钥符号流的参数满足如下关系：Bob选择所需要的接收天线数量NB和Alice同时传输的通信数据调制符号流数N，其中1≤N≤NB-1，使得：
Figure BDA0002612271130000052
则
K＝{0,1,2…，Nk-1}。
进一步的，Alice按照如下处理得到备选预编码空间W：
Figure BDA0002612271130000053
Figure BDA0002612271130000054
Alice根据每个Bob的接收天线数目，将W对应的列划分为相应的空间。具体过程包括：Alice根据信道求出的右伪逆矩阵，然后将右伪逆矩阵的每一个列向量归一化得到备选预编码空间矩阵。
进一步的，所述W(Ki)中对应E(:,K+1)中非零的列数为W(e)：
W(ei)＝W(Ki)E(:,K+1)
Alice将每个W(ei)合并为W(e)＝[W(e1),....,W(eN)]。
进一步的，观察秘钥符号k包括两种方法：基于SPN的观察方法和基于SNR的观察方法；所述基于SPN的观察方法为：每个Bob直接测量每根天线的m帧符号平均信号加噪声强度SPN如下：
Figure BDA0002612271130000055
若为实信号调制，例如BPSK则可直接选择接收信号的实部进行测量；Bob选择出其中最大的N个αi，其下标为e中非零元素所对应的位置；Bob观测到e后根据e得到观测到的的密钥符号K和密钥比特
Figure BDA0002612271130000061
所述基于SNR的方法为：Bob直接测量每根天线的m帧符号平均信噪比SNR，具体可采用不同的SNR估计方法，以M2M4SNR估计方法位列，同样选择出信噪比最大的N个SNR的天线，，其下标即是e中非零元素所对应的位置。例如，当N＝1时
Figure BDA0002612271130000062
Figure BDA0002612271130000063
Bob因此得到观测的e，然后根据e得到观测到的密钥符号K和密钥比特
Figure BDA0002612271130000064
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，密钥生成的过程中始终保证多用户的数据传输不会中断。密钥分发双方只需进行单向导频发送，无需进行导频互发；密钥分发过程无需双方进行密钥量化、协商和隐私放大，因此无需双方在公共信道上进行与上述过程相关的多次交互协商；避免了信息泄露的隐患。因此本发明具有良好的技术、性能和成本优势。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都应落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种多用户物理层密钥分发与广播通信同时进行的方法，包括以下步骤：
S1：Alice随机生成分发给N个Bob的二进制密钥比特信息bk，bk＝(bk1,bk2,...,bkN)，其中每份bki,i＝1,2,...,N，MS＝log2M包含比特，MS为每个Bob所用的调制方式的星座信号阶数；
S2：Alice将bk中每MS个比特映射为密钥符号值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；
S3：每个Bob依次向Alice发送导频序列，Alice估计上行等效信道HBA并转置得到下行信道
Figure FDA0003213469620000011
其中HAB＝[HAB，1；HAB，2]对应Alice到每个Bob的信道；
S4：Alice对每一个Bob，选择其W(Ki)中对应E(:,K+1)中非零的列数构成W(e)；
S5：Alice利用W(e)发送m帧不同的符号流s1,s2,...,sm，则每个Bob都各自接收m帧符号流y1,y2,...,ym，每个Bob每次接收到信号为NB维向量
Figure FDA0003213469620000012
每个Bob根据自己接收信号y1,y2,...,ym观察出自己当前的密钥符号k；
S6：每个Bob根据自己在S4中观测到的e中N个非零元素坐标对应的天线下独立解调m帧s1，s2，....sm通信数据符号
Figure FDA0003213469620000013
完成通信，其中：
Figure FDA0003213469620000014
S7：重复上述通信与密钥分发过程，直至每个Bob已经得到一个L比特长度的密钥；Bob与Alice分别进行密钥一致性确认，若Bob的密钥与Alice分享的一致，则该次密钥分享完成。
2.根据权利要求1所述的一种多用户物理层密钥分发与广播通信同时进行的方法，其特征在于，步骤S2中所述密钥符号流的参数满足如下关系：Bob选择所需要的接收天线数量NB和Alice同时传输的通信数据调制符号流数N，其中1≤N≤NB-1，使得：
Figure FDA0003213469620000015
则
K＝{0,1,2…，Nk-1}。
3.根据权利要求1所述的一种多用户物理层密钥分发与广播通信同时进行的方法，其特征在于，步骤S3中，Alice按照如下处理得到备选预编码空间W：
Figure FDA0003213469620000016
Figure FDA0003213469620000021
Alice根据每个Bob的接收天线数目，将W对应的列划分为相应的空间，设定Bob的数量为2，将W划分为对应Bob1和Bob2的两个空间，具体可表示为：
Figure FDA0003213469620000022
4.根据权利要求1所述的一种多用户物理层密钥分发与广播通信同时进行的方法，其特征在于，步骤S4中
所述W(Ki)中对应E(:,K+1)中非零的列数为W(e)：
W(ei)＝W(Ki)E(:,K+1)，
Alice将每个W(ei)合并为W(e)＝[W(e1),....,W(eN)]。
5.根据权利要求1所述的一种多用户物理层密钥分发与广播通信同时进行的方法，其特征在于，步骤S5中观察密钥符号k包括两种方法：基于SPN的观察方法和基于SNR的观察方法；所述基于SPN的观察方法为：每个Bob直接测量每根天线的m帧符号平均信号加噪声强度SPN如下：
Figure FDA0003213469620000023
若为实信号调制BPSK，则可直接选择接收信号的实部进行测量；Bob选择出其中最大的N个αi，其下标为e中非零元素所对应的位置；Bob观测到e后根据e得到观测到的密钥符号K和密钥比特
Figure FDA0003213469620000024
所述基于SNR的方法为：Bob直接测量每根天线的m帧符号平均信噪比SNR，具体可采用不同的SNR估计方法，以M2M4SNR估计方法位列，同样选择出信噪比最大的N个SNR的天线，其下标即是e中非零元素所对应的位置；Bob因此得到观测的e，然后根据e得到观测到的密钥符号K和密钥比特
Figure FDA0003213469620000025
6.根据权利要求1所述的一种多用户物理层密钥分发与广播通信同时进行的方法，其特征在于，还包括步骤S0，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。
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