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面向物联网准静态信道的中继协作密钥生成方法

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资料介绍

针对物联网准静态信道下密钥生成速率低的问题,该文提出一种基于中继节点协作的密钥生成方法.首先,通信双方通过信道估计获得直达信道和部分中继信道信息;然后,中继节点采用网络编码技术参与协作,使得通信双方获取全部中继信道信息;最后,通信双方在直达信道上进行密钥协商,利用直达信道信息、中继信道信息与协商信息共同生成相同的密钥.安全性分析表明该方法能够提高可达密钥速率,并且随着信噪比的提高,可达密钥速率呈线性增长,趋于最优值.蒙特卡洛仿真验证了理论分析的结果,并得出了增加中继节点数量、选取信道变化幅度大的中继节点,可以进一步提高可达密钥速率.

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第40 卷第1 期

2018 年1 月

电子与信息学报

Vol.40No.1

Jan. 2018

Journal of Electronics & Information Technology

面向物联网准静态信道的中继协作密钥生成方法

肖帅芳^*

郭云飞

白慧卿

金

梁

黄开枝

(国家数字交换系统工程技术研究中心郑州 450002)

要：针对物联网准静态信道下密钥生成速率低的问题，该文提出一种基于中继节点协作的密钥生成方法。首先，

摘

通信双方通过信道估计获得直达信道和部分中继信道信息；然后，中继节点采用网络编码技术参与协作，使得通信

双方获取全部中继信道信息；最后，通信双方在直达信道上进行密钥协商，利用直达信道信息、中继信道信息与协

商信息共同生成相同的密钥。安全性分析表明该方法能够提高可达密钥速率，并且随着信噪比的提高，可达密钥速

率呈线性增长，趋于最优值。蒙特卡洛仿真验证了理论分析的结果，并得出了增加中继节点数量、选取信道变化幅

度大的中继节点，可以进一步提高可达密钥速率。

关键词：物理层安全；密钥生成；物联网；中继协作

中图分类号： TN918.82

文献标识码： A

文章编号：1009-5896(2018)01-0050-07

DOI: 10.11999/JEIT170384

Relay Cooperative Secret Key Generation for Quasi-static

Channels in Internet of Things

XIAO Shuaifang

GUO Yunfei

BAI Huiqing

JIN Liang

HUANG Kaizhi

(National Digital Switching System Engineering & Technological Research Center, Zhengzhou 450002, China)

Abstract: A secret key generation scheme based on a cooperative relay is proposed to improve the generated secret

key rate for quasi-static channels in Internet of things. Firstly, the two legitimate nodes send training sequences to

estimate the direct channel information, respectively. After that the relay employs network coding technique to

participate the cooperation, and assists the two legitimate nodes to obtain the relay channels information. Finally,

the two legitimate nodes agree on a secret key from the direct and relay channels information using the direct

channel without the help of the relay. Security analysis results show that the scheme can improve the achievable

secret key rate, and the achievable key rate increases linearly with SNR, approaching the optimal rate. Monte Carlo

simulation verifies the security analysis results, and obtains that increasing the relay nodes, selecting the relay with

a larger variance channel can further improve the achievable secret key rate.

Key words: Physical layer security; Secret key generation; Internet of things; Relay cooperation

1 引言

遭受恶意窃听。目前针对物联网保密通信的研究依

然是沿用传统无线网络的高层加密体制，但物联网

中节点数量巨大，密钥分发难以实现，且节点一般

以自组织方式组网，没有可信任的第三方密钥管理

中心，物联网的密钥管理面临严峻的挑战^[4]。

近年来，以“万物互联”为愿景的物联网得到

了学术界的广泛研究^[1,2]，尤其是第5 代移动通信

(The Fifth Generation, 5G)在标准制定中将物联网

纳入了应用范畴^[3]，使得物联网进入普通人的生活变

为可能。然而物联网的安全问题成为限制其发展的

瓶颈，其中一个重要的安全威胁就是物联网一般采

用无线信号作为传输媒介，信息暴露在空中，容易

无线物理层密钥生成技术的出现为保障无线通

信安全提供了新的思路^[5,6]，由于其利用无线信道的

独有特性，合法通信双方直接从共享的无线信道中

提取密钥，无需进行密钥分发，也不需要第三方密

钥管理中心，且实现复杂度低，比较适用于物联网。

文献[7]实验验证了物理层密钥生成技术在无线个域

网中应用的可行性。文献[8]针对车联网场景，提出

了一种基于接收信号强度的实用物理层密钥生成方

案。然而在物联网的一些应用场景中，比如环境监

测、智能家居等，节点是固定不动的，周围无线环

收稿日期：2017-04-26；改回日期：2017-09-11；网络出版：2017-11-01

*通信作者：肖帅芳

基金项目：国家自然科学基金(61379006)，国家863 计划项目

(2015AA01A708)，国家自然科学基金创新群体项目(61521003)

Foundation Items: The National Natural Science Foundation of

China (61379006), The National 863 Program of China

(2015AA01A708), The Science Fund for Creative Research Groups

of the National Natural Science Foundation of China (61521003)

万方数据

第1 期

肖帅芳等：面向物联网准静态信道的中继协作密钥生成方法

境的变化也十分缓慢，这就导致合法通信双方之间同生成密钥。安全性分析表明该方法能显著提高

的无线信道是准静态的，此时基于无线信道特性生

Alice 与Bob 间的可达密钥速率，并且随着信噪比的

成的密钥速率很低，难以满足通信双方的保密通信提高，可达密钥速率呈线性增长，趋于最优值。蒙

需求^[6]。

特卡洛仿真验证了理论分析的结果，并通过针对不

针对准静态信道下密钥生成速率低的问题已经同中继协作节点数量与不同中继信道方差的仿真，

开展了一些研究。文献[9]在MIMO 场景下提出了基得出了增加中继节点数量，选取信道变化幅度大的

于随机波束成形的密钥提取方法，发送方对探测信中继节点，可以进一步提高Alice 与Bob 之间的可

号进行随机波束成形后再发送，接收方相应地做接达密钥速率，从而为多个中继节点场景下，进一步

收随机波束成形操作，反向探测信道是按同样的权提高可达密钥速率指明了方向。

值做发送波束成形和接收波束成形处理。最后，通

2 系统模型

信双方从接收到的信号中提取密钥，相当于将信道

针对物联网中基于中继节点协作的密钥生成系

随机加权处理后提取密钥，就可以利用权值的随机

统进行建模，如图1 所示。Alice (A)和Bob (B)为

性提升密钥源的随机性，从而提高密钥生成速率。

合法通信双方，均为单天线。Relay 为中继节点，

文献[10]利用发送端为多天线的特点，通过随机改变

不同天线上的幅度和相位，构建随机变化的虚拟信

在Alice 与Bob 的通信范围内，可以直接和Alice,

Bob 通信，也配备单天线，假设Relay 是友好可信

道，从虚拟信道中提取密钥，从而提高密钥生成速

的。在这些合法节点的通信范围内，存在一个Eve

率。文献[11,12]利用协作节点的干扰来构建随机变

化的等效信道，以此保证密钥源的随机性。然而以

试图窃取保密信息，也配备单天线。Alice 和Bob

之间可以直接通信，也可以通过Relay 通信。Alice

上方法均需利用多天线或者协作干扰，在资源严重

受限的物联网中难以实现^[13]。

与Bob 之间的直达信道可以满足它们的数据通信需

求，即在数据通信阶段，Alice 与Bob 直接通信，不

经过Relay 转发，Relay 只需参与Alice 和Bob 的密

钥生成过程。我们考虑实际的通信场景，节点间均

不存在无噪的公共信道，节点间的所有通信及协商

过程都在无线信道上进行，占用通信资源。

物联网中节点数量多，且经常需要节点协作来

传输信息，这为中继节点辅助的协作密钥生成创造

了条件，通过中继节点协作，提取中继信道的随机

性，可以增加密钥源的熵，从而提高密钥速率。文

献[14]证明了中继节点协作可以提高密钥源的随机

性，从而提高密钥容量，并给出了密钥容量的上界。

文献[15]研究了双向中继系统的密钥生成，提出了4

种基于放大转发(Amplify-and-Forward, AF)的密钥

生成方案，但放大转发的过程中会导致部分信道信

息泄露，从而降低了可达密钥速率。文献[16]研究了

无线网络中的协作密钥生成，通过中继节点协作提

高了密钥生成速率。但密钥的生成过程中通信双方

和中继节点之间均需两两进行密钥协商，复杂度较

高。并且中继节点需要多次参与协商，耗费自身很

多资源和能量，从节点自私性出发，中继节点可能

会拒绝参与多次协商，从而导致密钥生成过程失效。

针对以上问题，本文结合物联网的实际应用特

点，提出了一种基于中继节点协作的密钥生成方法。

首先针对典型的4 节点系统(合法通信双方Alice 与

Bob、一个中继节点Relay、一个窃听者Eve)建立

了中继节点协作密钥生成模型。在此基础上，首先

进行信道估计，使得Alice 与Bob 估计出直达信道

和部分中继信道信息；然后中继节点采用网络编码

技术参与协作，使得Alice 与Bob 获取全部中继信

道信息；最后合法通信双方在直达信道上进行密钥

协商，利用直达信道和中继信道信息与协商信息共

节点之间的信道建模为准静态块衰落信道，即

在相干时间T 内信道是不变的，在不同的相干时间

内为衰落信道。不同节点之间的信道是相互独立的，

且满足互易性。令h_ij表示节点i 到节点j 的信道增

益，则h_AB= h_BA= h₀, h_AR= h_RA= h₁, h_BR= h_RB

= h₂。假定Alice, Bob, Relay 与Eve 接收到的噪声

均为独立同分布的高斯白噪声，均值为0，方差为

σ_n²。为了便于分析，我们将直达信道增益h₀建模为

均值为0、方差为σ₀²的高斯随机变量，将中继信道

增益h₁, h₂建模为均值为0、方差为σ₁²的高斯随机

变量。其他衰落信道模型的分析方法类似，很容易

进行推广。

图1 中继节点协作密钥生成系统模型

万方数据

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