基于信道特征的物理层密钥提取方法
基于信道特征的物理层密钥提取方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信技术中的物理层安全领域，设及一种改进的基于无线信道互 易性的密钥生成方法，具体设及一种基于信道特征的物理层密钥提取方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着无线移动通信的快速发展，无线网络的用户数目及应用范围不断增 加，无线通信的安全性随之也愈发受到人们的关注。传统的安全手段多是依靠认证和密码 技术，通过网络上层协议来实施，而与物理层相对独立。鉴于无线通信天然的开放性和广播 性，传统算法所提供的计算安全性受到业界的广泛质疑。为此，从物理层的角度研究无线通 信的安全性逐渐成为一个研究热点。
[0003] 与传统加密方法不同，无线通信物理层安全方法基于化annon和Wyner提出的保 密通信理论，利用物理层本质特征建立加密机制。目前，针对不同的信道特征，各种实际的 密钥生成方案相继被提出。在该些方案中密钥生成的主要流程可分为四步：信道测量，量 化，信息协商，保密增强，并且W密钥生成速率、密钥的不一致率、生成密钥的随机性为主要 指标分析方案的性能。
[0004] 基于leve^L-crossing的密钥生成方案由C.化等于2008年提出[C.Ye,S. Mathur,A.Reznik,Y.Shah,W.Trappe,andN.Mandayam, "Information-theoretically secretkeygenerationforfadingwirelesschannels, "IEEETrans.Info.Forensics Security,vol. 5,no. 2,卵.240 - 254, 2010]，该方案提出了leve^L-crossing算法，利用信 道特征序列中存在的游程提取密钥比特串，并W该些游程的位置信息作为协商信息。该方 案生成的密钥比特串的不一致率低，且实现简单，但是密钥的生成速率较低。
[0005] 为了提高密钥的生成速率，N.Patwari等人于2009年了提出HRUBE方案， [N.Patwari,J.Croft,andS.Jana, "High-rateuncorrelatedbitextractionfor sharedsecretkeygenerationfromchannelmeasurements, "IEEETrans.Mobile Comput.，vol.9，pp. 17-30,Jan. 2009.]该方案提出了一种多比特自适应量化方案（MA曲， 可W从一个信道特征采样值中提出多个比特的密钥，大大增加了密钥的生成速率，其缺点 是通信双方生成的密钥不一致率较高，且生成的密钥串需经过密钥增强去除冗余信息。
【发明内容】
[0006] 本发明针对上述现有技术存在的问题作出改进，即本发明要提供一种基于信道特 征的物理层密钥提取方法，该方法比leve^crossing密钥生成方案有更高的密钥生成速 率，比HRUBE方案有着更好的密钥的不一致率，并且该方法生成的密钥比特串满足随机性 要求，无需密钥增强处理。
[0007] 具体地，本发明提供了如下的技术方案；
[0008] -种基于信道特征的物理层密钥提取方法，包括如下步骤：
[000引步骤1 ;信道估计，通过信道估计获得合法通信双方的信道特征序列；此频率t互 发双方已知的探测信号，分别得到信道特征序列hg和hb。
[0010] 步骤2 ;利用改进的leve^crossing算法对信道特征序列进行筛选和累加处理： 基于信道特征序列的统计特性设置两个口限电平屯，q_;基于改进的leve^crossing算法 筛选出hg和hb中长度大于m的游程，该里定义游程为连续大于q+或连续小于q_的子序列 串；将每个游程中屯、的m-1个信道特征序列值进行累加。合法通信双方通过此处理，得到序 列S。和Sb。
[0011]步骤3;利用化变换去除S。和S b中序列值之间的相关性，得到不相关的序列X郝 Xb°
[001引步骤4 ;利用多比特自适应量化（MA曲方案，将X。和Xb量化为二进制比特串，即生 成密钥比特串。
[0013] 本发明的有益效果是：本发明通过引入改进的leve^crossing算法，筛选出信道 特征序列中存在的游程，并将各个游程的信道特征值进行累加处理，提高了相对信噪比，为 采用多比特量化提供了可能；
[0014] 本发明引入了化变换，使得生成的密钥比特串满足随机性要求，避免了密钥增强 处理；
[0015] 本发明采用了多比特自适应量化（MAQ)，提高了密钥的生成速率。
【附图说明】
[0016] 附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实 施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0017] 图1为本发明方法的流程图；
[0018]图 2 为fs=1200Hz，1 = 1，f d二l〇Hz，m= 10 时，所提方案和leve^L-crossing方 案，HRUBE方案的密钥不一致率性能比较图；从图中可W看出，所提方案比leve^crossing 方案、HRUBE方案有着更好的密钥不一致率。
[001引 图3为片二1000化，fd= 10化，1 = 2,不同信噪比条件下，密钥的不一致率Pbd随 着最小游程长度m的变化情况图；
[0020] 图4为m=20，fs= 2000Hz，fd二lOHz，不同量化比特数1下，密钥的不一致率PcD与信噪比的关系图；
[002。 图5为fd=lOHz，1 = 2,不同最小游程长度m下，密钥的生成速率与探测信号发 送速率的关系图。
【具体实施方式】
[0022] 如图1-5所示，本发明公开一种基于信道特征的物理层密钥提取方法，包括如下 步骤：
[0023]S1 ;信道估计，通过信道估计获得合法通信双方的信道特征序列：W频率f,互发 双方已知的探测信号，分别得到信道特征序列h。和hb;
[0024]S2;利用改进的leve^crossing算法对信道特征序列进行筛选和累加处理，基于 信道特征序列的统计特性设置两个口限电平屯，心基于改进的leve^crossing算法筛选 出hg和hb中长度大于m的游程，定义游程为连续大于q+或连续小于q_的子序列串；将每 个游程中屯、的m-1个信道特征序列值进行累加，合法通信双方通过此处理，得到序列Sg和 Sb;
[002引 S3 ;利用Karhunen-Lo自ve变换去除S。和Sb中序列值之间的相关性，得到不相关的 序列X。和Xb;
[002引S4 ;采用多比特自适应量化将X。和Xb转化为二进制比特串，即生成密钥比特串。
[0027] 下面结合实施例做具体的说明，由图1可W看出，本发明方案包括4个阶段：信道 估计、改进的leve^crossing算法、化变换去相关、多比特自适应（MA曲量化。其具体步 骤如下：
[0028] 步骤1 ;Alice和Bob互发探测信号估计两者之间的信道特征。由于噪声、硬件差 异、发送探测信号的非同步，使得通信两端估计的信道特征序列存在不一致。该里将通信两 端估计的信道特征序列表示为
其中h为实际的信道特征序列，功率为P;z。，Zb 视为估计误差，服从N(0,o2)的高斯白噪声。定义信噪比= ^
[0029] 步骤2 ;利用改进的leve^crossing算法对信道特征序列h。,hb进行 筛选和累加。
[0030] 通信两端分别基于信道特征序列的统计特性设置上下口限电平
其中mean( ?)表示均值，5 ( ?)表示标准差，a为量化优化因 子，用于控制屯，q_，IfG化a,hj。
[0031]A1ice捜索h。中匹配的游程（长度大于等于m且取值全部大于q+或全部小于q_的 子序列模块），并记录其位置信息。若匹配游程为化(1,,"山11(1,,",+1)，，"11(1。^)}，则其位 置信息记作
所有匹配游程的位置信息集合记作L并通过公开信道发送 至Bob端。
[0032]Bob从公开信道接收Alice传来的L并利用其包含的位置信息对hb进行匹配捜索。 设jG以若^hb(j)为中屯、的长度为m-1的子序列模块取值全部大于或全部小于q_，则 保留j;否则，j被丢弃。所有保留的位置信息组成新的集合L，并发送至Alice端。
[003引设7EL，Alice和Bob分另U对Wha(j)和hb(j)为中屯、的长度为m-1的 子序列模块进行累加处理，数学表示如下，
其中
通过累加处理后，Alice和Bob将分别得 , 三 到序列S。，Sb。S。，Sb相对于hhb来说，有着相对较高的信噪比，但是其长度减小。
[0034]步骤3;利用化变换对S。, Sb进行去相关处理。首先，Alice估计S。的均值和协方 差矩阵，表示如下
其中皆是由S。分段所得的长 度为N的子序列，C为子序列的个数。然后，对协方差矩阵R作奇异值分解得到变换矩阵U， 即R=USyT。Alice通过公开信道将矩阵U发送给Bob。最后，Alice和Bob利用相同的变 换矩阵对Sa，Sb进行KL变换，表示如下，x!" = (S!。-口皆=城> -口6)[/。整合皆和皆 得到不相关的序列X。和Xb。
[003引步骤4 ;采用多比特自适应量化将X。和Xb转化为二进制比特串，即生成密钥比特 串。
[003引设量化比特数为1，即X。和Xb各元素x,a)和Xb(i)生成的比特数。基于X。和Xb的累计概率密度函数F，Alice和Bob将X。和X b的取值区间等概地分为Q= 2W个区间，边 界记作q0,q。…Qq，且Qi=F-1化/曲，k= 0, 1,…，Q。区间（Qk-。Qk]记为第k个量化区间。 Xa(i)所在量化区间索引定义为= 、-"(/'）>(/* ,1。
[0037] 利用一种特殊的格雷码为各量化区间分配码字。相关变量定义如下，
[003引定义
[003引创建1-bits的格雷码，即包含21个不同码字的码本。
[0040] 令
定义di似G{0，叫1为。中所创码本的第f1似个码字。
[00川令
定义屯化）G{0, 1}1为。中所创码本的第f0化）个码字。
[0042] 量化编码过程：
[0043] Alice计算Xs(i)所在量化区间索引ks(i)，并由ks(i)得出6化。(;〇)的值。该值 将会由公开信道发送给Bob。当e(ka(i))= 1，Xa(i)编码为中化。(1));当e(ka(i))=0， Xa(i)编码为d。化a(i))，
[0044]Bob计算Xb(i)所在量化区间索引kb(i)，并接收到的e(ka(i))值进行编码。当 e化a(i)) = 1，Xb(i)编码为di化b(i))，当e化a(i)) = 0,Xb(i)编码为屯化b(i))。
[0045] 表1中列出了生成密钥的随机性测试结果。为了验证生成密钥是否满足随机性要 求，该方案中采用了NIST提出的测试套件。该测试套件包含了 16个针对序列不同特征的测 试方法。表1中给出了其中的8个测试的结果，即P_value值。当P_value大于0. 01时， 说明测试序列是随机的，否则，为非随机。表1中所有的P_value均大于0. 01，说明本发明 方案生成的密钥是随机的，去除了密钥增强处理。
[004引所有的符号定义：
[0047]片;通信双方发送探测信号的速率。
[0048] fd;最大多普勒频移。
[0049] m;level-crossing算法中满足条件的游程的最小长度。
[0050]q+,q_;leve；L-c;rossing算法中引入的口限电平。
[005。 1 ;多比特自适应量化中，每个信道特征值量化的比特数。
[0052] Rk;密钥的生成速率，即Alice和Bob每秒生成的密钥比特数目。
[0053] PeD:通信两端生成的密钥的不一致率，即当Alice生成比特<1'时，Bob生成'0' 的概率。
[0054]
[0055]表1
[0056] 综上，本发明通过引入改进的leve^crossing算法，筛选出信道特征序列中存在 的游程，并将各个游程的信道特征值进行累加处理，提高了相对信噪比，为采用多比特量化 提供了可能；本发明引入了化变换，使得生成的密钥比特串满足随机性要求，避免了密钥 增强处理；本发明采用了多比特自适应量化（MAQ)，提高了密钥的生成速率。
[0057]W上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实 施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可W对前述各实施 例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于信道特征的物理层密钥提取方法，其特征在于，包括如下步骤： 51 :信道估计，通过信道估计获得合法通信双方的信道特征序列：以频率fs互发双方 已知的探测信号，分别得到信道特征序列匕和hb; 52 :利用改进的level-crossing算法对信道特征序列进行筛选和累加处理，基于信道 特征序列的统计特性设置两个门限电平q+，q」基于改进的level-crossing算法筛选出ha 和hb中长度大于m的游程，定义游程为连续大于q+或连续小于q_的子序列串；将每个游 程中心的m-1个信道特征序列值进行累加，合法通信双方通过此处理，得到序列sJPsb; 53 :利用Karhunen-LoSve变换去除sjPsb中序列值之间的相关性，得到不相关的序列 xb； 54 :采用多比特自适应量化将\和Xb转化为二进制比特串，即生成密钥比特串。
【专利摘要】本发明提供一种基于信道特征的物理层密钥提取方法，合法通信双方通过信道估计得到信道特征序列，然后引入改进的level-crossing算法对信道特征序列进行筛选和累加的处理，更新信道特征序列。之后再利用了KL变换去除更新后的信道特征序列采样值之间的相关性。最后，利用多比特自适应量化(MAQ)方案，将去除了相关性的信道特征序列量化为密钥比特串。实验结果表明，本发明比level-crossing密钥生成方案有更高的密钥生成速率，比HRUBE方案有着更好的密钥的不一致率，并且该方案生成的密钥比特串满足随机性要求，无需密钥增强处理。
【IPC分类】H04W12/04, H04L9/08
【公开号】CN104901795
【申请号】CN201510240973
【发明人】曹中强, 吴晓富, 朱卫平, 颜俊
【申请人】南京邮电大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月12日
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信技术中的物理层安全领域，设及一种改进的基于无线信道互 易性的密钥生成方法，具体设及一种基于信道特征的物理层密钥提取方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着无线移动通信的快速发展，无线网络的用户数目及应用范围不断增 加，无线通信的安全性随之也愈发受到人们的关注。传统的安全手段多是依靠认证和密码 技术，通过网络上层协议来实施，而与物理层相对独立。鉴于无线通信天然的开放性和广播 性，传统算法所提供的计算安全性受到业界的广泛质疑。为此，从物理层的角度研究无线通 信的安全性逐渐成为一个研究热点。
[0003] 与传统加密方法不同，无线通信物理层安全方法基于化annon和Wyner提出的保 密通信理论，利用物理层本质特征建立加密机制。目前，针对不同的信道特征，各种实际的 密钥生成方案相继被提出。在该些方案中密钥生成的主要流程可分为四步：信道测量，量 化，信息协商，保密增强，并且W密钥生成速率、密钥的不一致率、生成密钥的随机性为主要 指标分析方案的性能。
[0004] 基于leve^L-crossing的密钥生成方案由C.化等于2008年提出[C.Ye,S. Mathur,A.Reznik,Y.Shah,W.Trappe,andN.Mandayam, "Information-theoretically secretkeygenerationforfadingwirelesschannels, "IEEETrans.Info.Forensics Security,vol. 5,no. 2,卵.240 - 254, 2010]，该方案提出了leve^L-crossing算法，利用信 道特征序列中存在的游程提取密钥比特串，并W该些游程的位置信息作为协商信息。该方 案生成的密钥比特串的不一致率低，且实现简单，但是密钥的生成速率较低。
[0005] 为了提高密钥的生成速率，N.Patwari等人于2009年了提出HRUBE方案， [N.Patwari,J.Croft,andS.Jana, "High-rateuncorrelatedbitextractionfor sharedsecretkeygenerationfromchannelmeasurements, "IEEETrans.Mobile Comput.，vol.9，pp. 17-30,Jan. 2009.]该方案提出了一种多比特自适应量化方案（MA曲， 可W从一个信道特征采样值中提出多个比特的密钥，大大增加了密钥的生成速率，其缺点 是通信双方生成的密钥不一致率较高，且生成的密钥串需经过密钥增强去除冗余信息。
【发明内容】
[0006] 本发明针对上述现有技术存在的问题作出改进，即本发明要提供一种基于信道特 征的物理层密钥提取方法，该方法比leve^crossing密钥生成方案有更高的密钥生成速 率，比HRUBE方案有着更好的密钥的不一致率，并且该方法生成的密钥比特串满足随机性 要求，无需密钥增强处理。
[0007] 具体地，本发明提供了如下的技术方案；
[0008] -种基于信道特征的物理层密钥提取方法，包括如下步骤：
[000引步骤1 ;信道估计，通过信道估计获得合法通信双方的信道特征序列；此频率t互 发双方已知的探测信号，分别得到信道特征序列hg和hb。
[0010] 步骤2 ;利用改进的leve^crossing算法对信道特征序列进行筛选和累加处理： 基于信道特征序列的统计特性设置两个口限电平屯，q_;基于改进的leve^crossing算法 筛选出hg和hb中长度大于m的游程，该里定义游程为连续大于q+或连续小于q_的子序列 串；将每个游程中屯、的m-1个信道特征序列值进行累加。合法通信双方通过此处理，得到序 列S。和Sb。
[0011]步骤3;利用化变换去除S。和S b中序列值之间的相关性，得到不相关的序列X郝 Xb°
[001引步骤4 ;利用多比特自适应量化（MA曲方案，将X。和Xb量化为二进制比特串，即生 成密钥比特串。
[0013] 本发明的有益效果是：本发明通过引入改进的leve^crossing算法，筛选出信道 特征序列中存在的游程，并将各个游程的信道特征值进行累加处理，提高了相对信噪比，为 采用多比特量化提供了可能；
[0014] 本发明引入了化变换，使得生成的密钥比特串满足随机性要求，避免了密钥增强 处理；
[0015] 本发明采用了多比特自适应量化（MAQ)，提高了密钥的生成速率。
【附图说明】
[0016] 附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实 施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0017] 图1为本发明方法的流程图；
[0018]图 2 为fs=1200Hz，1 = 1，f d二l〇Hz，m= 10 时，所提方案和leve^L-crossing方 案，HRUBE方案的密钥不一致率性能比较图；从图中可W看出，所提方案比leve^crossing 方案、HRUBE方案有着更好的密钥不一致率。
[001引 图3为片二1000化，fd= 10化，1 = 2,不同信噪比条件下，密钥的不一致率Pbd随 着最小游程长度m的变化情况图；
[0020] 图4为m=20，fs= 2000Hz，fd二lOHz，不同量化比特数1下，密钥的不一致率PcD与信噪比的关系图；
[002。 图5为fd=lOHz，1 = 2,不同最小游程长度m下，密钥的生成速率与探测信号发 送速率的关系图。
【具体实施方式】
[0022] 如图1-5所示，本发明公开一种基于信道特征的物理层密钥提取方法，包括如下 步骤：
[0023]S1 ;信道估计，通过信道估计获得合法通信双方的信道特征序列：W频率f,互发 双方已知的探测信号，分别得到信道特征序列h。和hb;
[0024]S2;利用改进的leve^crossing算法对信道特征序列进行筛选和累加处理，基于 信道特征序列的统计特性设置两个口限电平屯，心基于改进的leve^crossing算法筛选 出hg和hb中长度大于m的游程，定义游程为连续大于q+或连续小于q_的子序列串；将每 个游程中屯、的m-1个信道特征序列值进行累加，合法通信双方通过此处理，得到序列Sg和 Sb;
[002引 S3 ;利用Karhunen-Lo自ve变换去除S。和Sb中序列值之间的相关性，得到不相关的 序列X。和Xb;
[002引S4 ;采用多比特自适应量化将X。和Xb转化为二进制比特串，即生成密钥比特串。
[0027] 下面结合实施例做具体的说明，由图1可W看出，本发明方案包括4个阶段：信道 估计、改进的leve^crossing算法、化变换去相关、多比特自适应（MA曲量化。其具体步 骤如下：
[0028] 步骤1 ;Alice和Bob互发探测信号估计两者之间的信道特征。由于噪声、硬件差 异、发送探测信号的非同步，使得通信两端估计的信道特征序列存在不一致。该里将通信两 端估计的信道特征序列表示为
其中h为实际的信道特征序列，功率为P;z。，Zb 视为估计误差，服从N(0,o2)的高斯白噪声。定义信噪比= ^
[0029] 步骤2 ;利用改进的leve^crossing算法对信道特征序列h。,hb进行 筛选和累加。
[0030] 通信两端分别基于信道特征序列的统计特性设置上下口限电平
其中mean( ?)表示均值，5 ( ?)表示标准差，a为量化优化因 子，用于控制屯，q_，IfG化a,hj。
[0031]A1ice捜索h。中匹配的游程（长度大于等于m且取值全部大于q+或全部小于q_的 子序列模块），并记录其位置信息。若匹配游程为化(1,,"山11(1,,",+1)，，"11(1。^)}，则其位 置信息记作
所有匹配游程的位置信息集合记作L并通过公开信道发送 至Bob端。
[0032]Bob从公开信道接收Alice传来的L并利用其包含的位置信息对hb进行匹配捜索。 设jG以若^hb(j)为中屯、的长度为m-1的子序列模块取值全部大于或全部小于q_，则 保留j;否则，j被丢弃。所有保留的位置信息组成新的集合L，并发送至Alice端。
[003引设7EL，Alice和Bob分另U对Wha(j)和hb(j)为中屯、的长度为m-1的 子序列模块进行累加处理，数学表示如下，
其中
通过累加处理后，Alice和Bob将分别得 , 三 到序列S。，Sb。S。，Sb相对于hhb来说，有着相对较高的信噪比，但是其长度减小。
[0034]步骤3;利用化变换对S。, Sb进行去相关处理。首先，Alice估计S。的均值和协方 差矩阵，表示如下
其中皆是由S。分段所得的长 度为N的子序列，C为子序列的个数。然后，对协方差矩阵R作奇异值分解得到变换矩阵U， 即R=USyT。Alice通过公开信道将矩阵U发送给Bob。最后，Alice和Bob利用相同的变 换矩阵对Sa，Sb进行KL变换，表示如下，x!" = (S!。-口皆=城> -口6)[/。整合皆和皆 得到不相关的序列X。和Xb。
[003引步骤4 ;采用多比特自适应量化将X。和Xb转化为二进制比特串，即生成密钥比特 串。
[003引设量化比特数为1，即X。和Xb各元素x,a)和Xb(i)生成的比特数。基于X。和Xb的累计概率密度函数F，Alice和Bob将X。和X b的取值区间等概地分为Q= 2W个区间，边 界记作q0,q。…Qq，且Qi=F-1化/曲，k= 0, 1,…，Q。区间（Qk-。Qk]记为第k个量化区间。 Xa(i)所在量化区间索引定义为= 、-"(/'）>(/* ,1。
[0037] 利用一种特殊的格雷码为各量化区间分配码字。相关变量定义如下，
[003引定义
[003引创建1-bits的格雷码，即包含21个不同码字的码本。
[0040] 令
定义di似G{0，叫1为。中所创码本的第f1似个码字。
[00川令
定义屯化）G{0, 1}1为。中所创码本的第f0化）个码字。
[0042] 量化编码过程：
[0043] Alice计算Xs(i)所在量化区间索引ks(i)，并由ks(i)得出6化。(;〇)的值。该值 将会由公开信道发送给Bob。当e(ka(i))= 1，Xa(i)编码为中化。(1));当e(ka(i))=0， Xa(i)编码为d。化a(i))，
[0044]Bob计算Xb(i)所在量化区间索引kb(i)，并接收到的e(ka(i))值进行编码。当 e化a(i)) = 1，Xb(i)编码为di化b(i))，当e化a(i)) = 0,Xb(i)编码为屯化b(i))。
[0045] 表1中列出了生成密钥的随机性测试结果。为了验证生成密钥是否满足随机性要 求，该方案中采用了NIST提出的测试套件。该测试套件包含了 16个针对序列不同特征的测 试方法。表1中给出了其中的8个测试的结果，即P_value值。当P_value大于0. 01时， 说明测试序列是随机的，否则，为非随机。表1中所有的P_value均大于0. 01，说明本发明 方案生成的密钥是随机的，去除了密钥增强处理。
[004引所有的符号定义：
[0047]片;通信双方发送探测信号的速率。
[0048] fd;最大多普勒频移。
[0049] m;level-crossing算法中满足条件的游程的最小长度。
[0050]q+,q_;leve；L-c;rossing算法中引入的口限电平。
[005。 1 ;多比特自适应量化中，每个信道特征值量化的比特数。
[0052] Rk;密钥的生成速率，即Alice和Bob每秒生成的密钥比特数目。
[0053] PeD:通信两端生成的密钥的不一致率，即当Alice生成比特<1'时，Bob生成'0' 的概率。
[0054]
[0055]表1
[0056] 综上，本发明通过引入改进的leve^crossing算法，筛选出信道特征序列中存在 的游程，并将各个游程的信道特征值进行累加处理，提高了相对信噪比，为采用多比特量化 提供了可能；本发明引入了化变换，使得生成的密钥比特串满足随机性要求，避免了密钥 增强处理；本发明采用了多比特自适应量化（MAQ)，提高了密钥的生成速率。
[0057]W上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实 施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可W对前述各实施 例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于信道特征的物理层密钥提取方法，其特征在于，包括如下步骤： 51 :信道估计，通过信道估计获得合法通信双方的信道特征序列：以频率fs互发双方 已知的探测信号，分别得到信道特征序列匕和hb; 52 :利用改进的level-crossing算法对信道特征序列进行筛选和累加处理，基于信道 特征序列的统计特性设置两个门限电平q+，q」基于改进的level-crossing算法筛选出ha 和hb中长度大于m的游程，定义游程为连续大于q+或连续小于q_的子序列串；将每个游 程中心的m-1个信道特征序列值进行累加，合法通信双方通过此处理，得到序列sJPsb; 53 :利用Karhunen-LoSve变换去除sjPsb中序列值之间的相关性，得到不相关的序列 xb； 54 :采用多比特自适应量化将\和Xb转化为二进制比特串，即生成密钥比特串。
【专利摘要】本发明提供一种基于信道特征的物理层密钥提取方法，合法通信双方通过信道估计得到信道特征序列，然后引入改进的level-crossing算法对信道特征序列进行筛选和累加的处理，更新信道特征序列。之后再利用了KL变换去除更新后的信道特征序列采样值之间的相关性。最后，利用多比特自适应量化(MAQ)方案，将去除了相关性的信道特征序列量化为密钥比特串。实验结果表明，本发明比level-crossing密钥生成方案有更高的密钥生成速率，比HRUBE方案有着更好的密钥的不一致率，并且该方案生成的密钥比特串满足随机性要求，无需密钥增强处理。
【IPC分类】H04W12/04, H04L9/08
【公开号】CN104901795
【申请号】CN201510240973
【发明人】曹中强, 吴晓富, 朱卫平, 颜俊
【申请人】南京邮电大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月12日
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