物理层密钥生成技术研究

Due to the widespread application of networks, network security is critical to social production and human daily life. Key generation mechanism is the basis of network security and the essential component of many advanced security mechanisms, which is the significant factor to network security.. This project mainly studies physical layer key generation mechanism, including physical layer pair-wise key generation mechanism, physical layer group key generation mechanism and the implementation of secure group communication through these mechanisms. For physical layer pair-wise key generation mechanism, each component will be analyzed and improved so that a more efficient and flexible scheme can be implemented to guarantee the security of point-to-point communication. Based on this scheme, a physical layer group key generation mechanism will be achieved to guarantee the security of group communication. Moreover, a secure group communication mechanism will also be achieved based on physical layer pair-wise key generation and the Attribute-Based Encryption mechanism. . This project is expected to provide a new idea and theoretical basis for physical layer key generation mechanism as well as a theoretical and technical support for physical layer security applications.

网络的广泛应用使得网络安全对于社会生产以及人类日常生活至关重要。密钥生成机制是确保网络安全的基础，是实现许多高级安全机制必不可少的模块，对于网络安全具有十分重要的意义。. 本项目主要研究物理层密钥生成机制，具体为物理层对偶密钥生成机制、群组密钥生成机制以及由此实现保密群组通信机制。针对物理层对偶密钥生成机制，拟对各阶段进行分析、优化，从而提出效率更高、适用性更强的方案以确保点对点通信过程的安全性。基于拟提出的物理层对偶密钥生成方案，实现物理层群组密钥生成方案，确保群组通信过程的安全性。除此之外，拟利用所提出的物理层对偶密钥生成方案与属性基加密机制实现保密群组通信机制。. 本项目预期成果将为物理层密钥生成机制提供新的研究思路和理论依据，并为物理层安全的实际应用提供理论以及技术支撑。

物理层密钥生成技术使得网络节点可以直接利用信道状态生成共享密钥，从而保证通信过程的安全性。然而，由于密钥生成期间存在的环境干扰等因素使得合法节点收集的信道状态之间虽然具有较高的相关性却伴随差异，这些差异使得收发节点利用信道状态直接生成的比特序列之间具有较高的误码率，从而影响了物理层密钥生成技术在实际应用中的可用性。除此之外，无线通信机制的特性使得物理层密钥生成技术难以高效地应用于多节点通信的应用场景。.针对上述问题，本项目的主要研究内容是无线物理层密钥生成机制的实现与优化，并利用物理层密钥生成机制实现保密通信。具体描述为：以无线通信环境下收集的真实信道状态数据为基础，分别研究物理层对偶密钥生成机制以及物理层群组密钥生成机制。.为顺利开展本项目研究工作，本项目团队首先开展了多种无线通信场景下的实验以及信道状态的采集与处理工作。通过开展实验分别获得多种场景下的接收信号强度以及信道状态信息作为信道状态特征量，上述数据能够有效地支撑物理层密钥生成技术研究。.为了提高物理层对偶密钥生成过程的效率以及实际可用性，提出了基于2次Rényi熵的高效物理层对偶密钥生成机制。该机制中，合法网络节点根据无线通信过程的特性，利用2次Rényi熵预测不同时间段内彼此获得的信道状态之间的相关性，并根据预测结果选择更适合用于生成共享密钥的信道状态。结合不同量化、信息协调以及保密增强过程，确保网络节点之间能够高效地生成共享密钥。实际场景的实验分析结果表明，所提出的方案确实能够有效地提高物理层对偶密钥生成过程的效率进而提高其实际可用性。.针对物理层对偶密钥生成机制，除上述工作，本项目还研究了利用无监督学习技术优化密钥生成过程。.本项目在开展上述物理层对偶密钥生成机制研究基础上，还研究了利用物理层对偶密钥生成实现群组密钥生成过程并分析其可行性。.通过本项目开展，为物理层密钥生成机制在真实场景中的应用提供了理论以及实验依据。..