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2018 年 10 月 Chinese Journal of Network and Information Security October 2018
2018082-1
第 4 卷第 10 期 网络与信息安全学报 Vo l .4
No.10
基于接收信号的多用户密钥生成方案
蔡奥林,金梁,钟州,楼洋明
(国家数字交换系统工程技术研究中心,河南 郑州 450002)
摘 要:基于信道特征生成密钥的方案为通信安全带来了新思路。但在多用户慢衰落条件下,基于信道特征
的密钥生成方案由于参数变化慢,导致密钥更新慢。针对此问题,提出了基于接收信号的多用户密钥生成方
案,即通过块对角化预编码实现多个随机信号流的分发,使基站与用户能够从用户接收信号中提取密钥。仿
真结果表明,提出的基于接收信号的多用户密钥生成方案能够有效提高多用户在准静态及慢衰落条件下的密
钥速率。
关键词:密钥生成;MISO;多用户;接收信号
中图分类号:TP393
文献标识码:A
doi: 10.11959/j.issn.2096-109x.2018082
Multiuser secret key generation based on received signal
CAI Aolin, JIN Liang, ZHONG Zhou, LOU Yangming
National Digital Switching System Engineering & Technological R&D Center, Zhangzhou 450002, China
Abstract: The secret key generation method based on channel characteristic provides a new way for communication
security. But under the conditions of multiuser and slow fading, because of the slow channel parameter changing rate,
using the secret key generation method above can result in a low secret key rate. To solve this problem, a multiuser
secret key generation method based on the received signal was proposed. By distributing the random signals to dif-
ferent users using block diagonalization precoding, base station and user can extract the secret key from the received
signal. The novel method could significantly increase the secret key rate of multiuser under the quasi-static channel
and slow-fading channel, which is verified by simulations.
Key words: secret key generation, MISO, multiuser, received signal
1 引言
在现有的通信系统中,不仅合法接收方可
以接收到无线通信信号,由于其广播特性,窃
听方也可以接收到无线通信信号。因此,无线
通信信号的广播特性对通信安全造成了严重的
威胁。
物联网作为第 5 代移动通信标准制定中的
重要应用场景,目前正逐步广泛地应用于普通
人的生活之中。物联网场景需求下,要求大量
的物联网节点具有小体积、低功耗的特点。目
前,针对物联网的安全研究多沿用传统的安全
体制,为了保障通信的安全需求,通常在无线
网络的高层利用复杂的加密算法和密钥分发来
实现安全。而物联网节点所具有的小体积、低
功耗、大数量的特点,将增加密钥加密与分发
收稿日期:2018-08-08;修回日期:2018-09-25
通信作者:蔡奥林,alcai@stu.xidian.edu.cn
基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.61601514)
Foundation Item: The National Natural Science Foundation of China (No.61601514)
第 10 期 蔡奥林等:基于接收信号的多用户密钥生成方案 ·53·
的实施难度。
而物理层安全中基于信道特征的密钥生成,
为保障无线通信安全提供了新的思路,逐渐成为
物理层安全的研究热点
[1-2]
。无线信道具有时变
性、互易性的特点,且窃听者在 2 个相干波长以
外,其信道基本与合法信道不相干。合法通信用
户可以从无线信道提取密钥。而无线信道的互易
性,可以使生成的密钥免于分发,且实现复杂度
较低。
文献[3-4]利用有噪观测值提取密钥,为物理
层密钥提取提供了基础理论。在此基础上,基于
各种信道特征参数的密钥生成方案先后出现。
然而,物理层信道参数的变化快慢很大程度
上影响了物理层密钥的生成速率。所以,如果信
道参数变化过慢,密钥的生成速率也会很低。例
如,智能家居和智能水表等物联网设备一般情况
下是固定不动的,导致设备周围的无线信道参数
变化十分缓慢。这时密钥更新速度较慢,会严重
威胁到用户的通信安全。
目前,已经有文献针对准静态信道场景存在
的以上问题进行研究。文献[5]提出利用随机波束
成形来模拟信道的波动变化,以弥补信道变化的
不足。这就增加了密钥源的随机性,提升了密钥
容量。文献[6]针对多天线系统,为了增加信道的
随机性,随机改变各个天线上的幅度和相位来
模拟信道的波动变化。同时,还有部分研究通
过引入节点协作提高密钥速率。文献[7-8]通过
协作节点的干扰来增加等效信道的随机性。文
献[9-11]通过增加中继节点的数目来增加信道
的数目,从而提高密钥容量。但协作的方案由
于需要大量节点协作,难以在资源受限的物联
网中实现
[12]
。
由于上下行信道具有互易性,发送方可以利
用信道参数和发送信号求得接收方的接收信号。
此时通信双方可以将接收方的接收信号作为共享
的密钥源。在这种接收信号作为共享随机源的场
景下,当信道变化过慢时,可以利用人工可控的
变量来增加提取密钥随机源的随机性。例如,文
献[13]针对准静态变化的信道,通过发送随机变
化的信号,增加接收信号的随机性,从而提升系
统的密钥容量。
目前,针对多用户慢衰落场景,由于信道参
数的变化过慢,且多个用户轮流与基站互发导频
所用时间过长,因此还没有高速有效的密钥生成
方案。按照传统的密钥生成方法,基站与一个用
户互相发送一次导频只能和一个用户生成密钥。
为了节省时隙资源,提高效率,本文提出一种多
用户下的密钥生成方案,通过同时发送多流随机
信号,同时与多个用户生成密钥。
2 基于发送多流随机信号的密钥生成原理
在该系统模型中,基站 Alice 有多根发送天
线,天线数为
a
N
,有 N 个终端 Bob 与 K 个窃听
者
Eve ,所有合法用户都是单天线接收。每个窃
听者
Eve
i
都被动窃听,每个终端
Bob
i
发送导频,
Alice 对合法信道进行估计,生成 N 个随机信号,
并对其进行预编码,然后将信号发送出去,各用
户从接收信号中提取密钥,而基站利用信道信息
估计各用户的接收信号,并从估计的信号中提取
密钥。
为了将多个随机信号流发送给各用户,可以
使用迫零波束赋型方案,如果使用迫零波束赋型
作为多用户预编码方案对随机信号流进行预编
码,则预编码与每个用户的信道组成的等效信道
都是单位阵,不再包含信道信息。为了增加接收
信号的随机性,充分利用信道的随机性,本文采
用块对角化预编码。
如图 1 所示,系统模型中存在一个基站和多
个用户,同时还存在配备多天线的窃听者。假设
Alice 与用户 Bob
i
间的信道衰落系数为
1
,
A
N
ri
h
×
∈^ ,
Alice
与 Eve
i
间的信道衰落系数为
,
E
A
NN
ei
h
×
∈^ 。
用户 Bob
i
对其他用户的干扰矩阵为
T
TTT T
,1 , 1 , 1 ,ir riri rN
Hh h h h
−+
⎡
⎤
=
⎣
⎦
""
(1)
式(1)中, T 为矩阵转置符号。为避免发给用
户
Bob
i
的随机信号流影响其他用户,其预编码矩
阵需要在其他用户的零空间内,可以对干扰矩阵
进行奇异值分解获得零空间矩阵。
0
00
H
i
i
iii
H
i
V
HUU
V
⎡⎤
Σ
⎡⎤
⎡⎤
=
⎢⎥
⎢⎥
⎣⎦
⎣⎦
⎣⎦
(2)
2018082-2
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