移动无线网络中物理密钥技术研究

Higher secrecy is required as the booming development of mobile communications. The traditional computation complexity based key cryptography is being challenged because the computational power and speed increases largely. Exploiting the physical characteristics of the wireless channel to generate the socalled "physical key" has the superiority of online distribution and dynamic refreshing, which provides a new insight in solving the secrecy problem. Considering the feature of mobile wireless networks, this proposal will investigate how to generate physical key under different channel reciprocity conditions. And the secrecy evaluation system would be advanced. Furthermore, how physical key and traditional key merge to achieve higher secrecy would also be solved. Specifically, the research contains the following three parts. 1) Key generation: Three schemes are designed for perfect reciprocal channel, imperfect reciprocal channel, and non-reciprocal channel, respectively. 2) Performance evaluation: The effects of user mobility and space correlation on the secrecy of physical key are studied. And the performance measuring system is advanced through establishing the trade-off between the key rate, secrecy, consistency and the user experience. 3) Merging mechanism: Physical key should merge with traditional key cryptography to compensate its shortage. And the merging mechanism should dynamically adjust itself to satisfy the service requirements from high layers.

移动通信的蓬勃发展对无线安全性提出了更高要求，而由计算复杂度保证的传统密钥体制正随计算机运算能力的提升不断受到挑战。基于无线信道物理特性进行密钥生成具有在线分发、实时更新等特点，为解决上述问题提供了新的可能。本课题将结合移动无线网络特点，考虑不同的信道互易性条件，研究物理密钥生成方法，完善物理密钥安全度量体系，并探讨所生成密钥与现有密钥体系的有效融合问题。具体研究内容如下：1）密钥生成：针对完美互易、非完美互易以及非互易信道三种条件设计相应的物理密钥生成方法；2）性能评估：分析用户移动性以及位置相关性对物理密钥安全性能的影响，推导密钥生成速率、安全性、一致性以及用户体验之间的折衷关系，完善物理密钥性能评估体系；3）融合机制：探索物理层密钥与传统密钥的有效融合问题，结合协议上层服务需求，建立基于反馈的动态融合机制。

基于无线信道物理特征的在线物理密钥生成技术为进一步增强无线网络安全性提供了新的途径，将其应用到移动无线网络中将面临移动性影响不明确、完美互易条件难满足等挑战。为此，本项目紧密结合移动无线网络特点，围绕节点移动条件下的在线物理密钥生成以及非完美互易条件下的物理密钥性能展开了深入研究，并搭建了基于USRP的物理密钥演示系统检验其可行性和性能。具体研究内容包括：. 1．针对节点移动条件，分别设计了基于波达角、联合波达角和接收信号强度的物理密钥生成的物理密钥生成方案。研究了节点移动速度对物理层密钥的性能影响，推导了基于波达角的密钥一致率和密钥生成速率，定义了有效密钥生成速率，以此为优化目标设计了基于波达角的自适应量化物理层密钥生成方法。. 2. 针对非完美互易条件，建立了合法通信双方估计值之间的相关模型，推导了密钥不一致概率以及有效采样率与导频功率、时延之间的关系表达式，并分析了密钥不一致概率和有效采样率之间的折衷关系。为克服非完美互易条件的影响，提出了基于神经网络预测的物理密钥性能改进方案，从而在不降低密钥生成效率的同时提高所生成物理密钥的一致性。. 3. 基于USRP搭建了OFDM通信系统，对OFDM信道进行估计，获得信道冲激响应，并采用不同的量化方法对其幅度进行量化，检验了物理密钥生成的可行性。此外，进一步对不同量化方法进行了对比，得到了各种量化方法中的最优参数设计。. 综上，本项目在移动无线网络中物理密钥的生成方案设计、物理密钥性能分析及演示系统搭建等方面取得了相应的研究结果，为推动物理密钥技术在移动无线网络中的应用提供了理论借鉴和实际参考。. 研究取得的主要成果包括发表期刊论文10篇，会议论文3篇，授权国家发明专利1项，申请国家发明专利4项，培养硕士生2名，博士生1名，均完成相关指标。此外，出版专著1本，获江苏省科学技术奖三等奖1项，教育部自然科学奖二等奖1项，项目负责人获批博士后国际交流计划（派出项目）1项，国家博士后基金面上资助1项。