基于差异阈值循环分组的密钥生成算法

doi:10.11772/j.issn.1001-9081.2023070917

《计算机应用》唯一官方网站 ›› 2024, Vol. 44 ›› Issue (7): 2110-2115.DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2023070917

基于差异阈值循环分组的密钥生成算法

李贵勇, 何斌(), 方磊

重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400065

收稿日期:2023-07-11 修回日期:2023-09-08 接受日期:2023-09-19 发布日期:2023-10-26 出版日期:2024-07-10
通讯作者: 何斌
作者简介:李贵勇（1971—），男，四川资阳人，正高级工程师，硕士，主要研究方向：4G/5G移动通信协议、蓝牙/Wi-Fi通信协议、MCU芯片设计；
方磊（1999—），男（土家族），湖南湘西人，硕士研究生，主要研究方向：物理层安全。
第一联系人：何斌（1999—），女，四川宜宾人，硕士研究生，主要研究方向：物理层安全；
基金资助:
重庆市自然科学基金资助项目(cstc2021jcyj-msxmX0454)

Key generation algorithm based on cyclic grouping of difference thresholds

Guiyong LI, Bin HE(), Lei FANG

College of Communication and Information Engineering，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China

Received:2023-07-11 Revised:2023-09-08 Accepted:2023-09-19 Online:2023-10-26 Published:2024-07-10
Contact: Bin HE
About author:LI Guiyong， born in 1971， M. S.， senior engineer. His research interests include 4G/5G mobile communication protocol， bluetooth/Wi-Fi communication protocol， MCU chip design.
FANG Lei， born in 1999， M. S. candidate. His research interests include physical layer security.
First author contact:HE Bin， born in 1999， M. S. candidate. Her research interests include physical layer security.
Supported by:
Chongqing Natural Science Foundation(cstc2021jcyj-msxmX0454)

摘要/Abstract

摘要：

针对无线通信中通信双方提取的信道特征存在明显差异，导致双方的密钥生成速率和一致率较低的问题，提出差异阈值循环分组的密钥生成算法（TGKG）。首先，对信道状态信息（CSI）进行差异阈值分组，使任意组内元素间的间隔均大于该值，提高组内数据的差异，减小量化误差以降低密钥不一致率；循环分组只需一方进行，防止因数据误差导致的分组不一致。同时，提取信道系数的实部和虚部量化，增加量化比特数目，提高了密钥生成速率。通过概率论及信息论公式证明了所提算法在密钥不一致率、密钥可达速率和安全性3方面的优势。实验结果表明，所提算法在5 dB信噪比（SNR）条件下，通信双方的密钥不一致率约为2%，密钥生成速率约为142%。

关键词: 物理层安全, 密钥生成, 差异阈值循环分组, 密钥不一致率, 密钥生成速率

Abstract:

For that channel features extracted by the two communication parties are significantly different， resulting in a low key generation rate and consistency in wireless communications， a Key Generation algorithm based on cyclic Grouping of difference Thresholds （TGKG） was proposed. First， the Channel State Information （CSI） was grouped with a threshold， by which the interval of data within the group was greater than the threshold， so that quantization error and hence key disagreement rate was reduced. To avoid inconsistent grouping due to data errors， circular grouping was performed on one side only. Meanwhile， the algorithm was applied to quantize real part and imaginary part of CSI， respectively， significantly increasing key generation rate. The advantages of the proposed algorithm was proved in terms of key disagreement rate， key generation rate and security by probabilistic and information theoretic formulas. The experimental results show that the key disagreement rate of the proposed algorithm for both communicating parties is about 2%， and the key generation rate is about 142% under the Signal-to-Noise Ratio （SNR） condition of 5 dB.

Key words: physical layer security, key generation, cyclic grouping of difference thresholds, key disagreement rate, key generation rate

中图分类号:

TN918.4

李贵勇, 何斌, 方磊. 基于差异阈值循环分组的密钥生成算法[J]. 计算机应用, 2024, 44(7): 2110-2115.

Guiyong LI, Bin HE, Lei FANG. Key generation algorithm based on cyclic grouping of difference thresholds[J]. Journal of Computer Applications, 2024, 44(7): 2110-2115.

图/表 7

图1 OFDM系统模型

Fig. 1 OFDM system model

图2 密钥生成过程

Fig. 2 Key generation process

图3 量化算法对比

Fig. 3 Quantify algorithm comparison

图4 KDR随SNR变化曲线

Fig. 4 KDR versus SNR curve

图5 KGR随SNR变化曲线

Fig. 5 KGR versus SNR curve

图6 不同位置Bob与Eve的波形图

Fig. 6 Waveforms of Bob and Eve at different positions

图7 KLR随SNR变化曲线

Fig. 7 KLR versus SNR curve

参考文献 20

1	ROTTENBERG F， T-H NGUYEN， J-M DRICOT， et al. CSI-based versus RSS-based secret key generation under correlated eavesdropping ［J］. IEEE Transactions on Communications， 2021， 69（3）： 1868-1881.
2	SAPUTRA， SUDARSONO A， YULIANA M. Symmetric key generation use received signal strength for V2V communication ［C］// Proceedings of the 2022 International Electronics Symposium. Piscataway： IEEE， 2022： 249-254.
3	RIBOUH S， PHAN K， MALAWADE A V， et al. Channel state information-based cryptographic key generation for intelligent transportation systems ［J］. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems， 2021， 22（12）： 7496-7507.
4	LU X， LEI J， SHI Y， et al. Intelligent reflecting surface assisted secret key generation ［J］. IEEE Signal Processing Letters， 2021， 28： 1036-1040.
5	LIU H， YANG W， YANG J. Fast and practical secret key extraction by exploiting channel response ［C］// Proceedings of the 2013 IEEE INFOCOM. Piscataway： IEEE， 2013： 3048-3056.
6	盛旺.无线通信中物理层安全密钥提取技术研究［D］.南京：南京邮电大学， 2014： 20-30.
	SHENG W. Research on secret key extraction of physical layer in wireless communications ［D］. Nan jing： Nanjing University of Posts and Telecommunications， 2014： 20-30.
7	PENGY， WANGP， XIANGW， et al. Secret key generation based on estimated channel state information for TDD-OFDM systems over fading channels ［J］. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2017， 16（8）： 5176-5186.
8	WANG L， AN H， ZHU H， et al. MobiKey： mobility-based secret key generation in smart home ［J］. IEEE Internet of Things Journal， 2020， 7（8）： 7590-7600.
9	PATWARI N， CROFT J， JANA S， et al. High-rate uncorrelated bit extraction for shared secret key generation from channel measurements ［J］. IEEE Transactions on Mobile Computing， 2010， 9（1）： 17-30.
10	丁宁，管新荣，杨炜伟，等.非完美信道估计条件下多比特量化无线密钥生成性能分析［J］.计算机应用， 2020， 40（1）： 143-147.
	DING N， GUAN X R， YANG W W， et al. Performance analysis of wireless key generation with multi-bit quantization under imperfect channel estimation condition ［J］. Journal of Computer Applications， 2020， 40（1）： 143-147.
11	TAN J， DAI L. Channel feedback in TDD massive MIMO systems with partial reciprocity ［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2021， 70（12）： 12960-12974.
12	PREMNATH S N， JANA S， CROFT J， et al. Secret key extraction from wireless signal strength in real environments ［J］. IEEE Transactions on Mobile Computing， 2013， 12（5）： 917-930.
13	王华华，郑明杰，陈峰，等.基于LDPC和椭圆曲线加密算法的密钥协商方案［J］.南京邮电大学学报（自然科学版）， 2022， 42（3）： 30-35.
	WANG H H， ZHENG M J， CHEN F， et al. A key reconciliation scheme based on LDPC and elliptic curve cryptography ［J］. Journal of Nanjing University of Posts and Telecommunications （Nature Science）， 2022， 42（3）： 30-35.
14	WANG Q， SU H， REN K， et al. Fast and scalable secret key generation exploiting channel phase randomness in wireless networks ［C］// Proceedings of the 2011 IEEE INFOCOM. Piscataway： IEEE， 2011： 1422-1430.
15	WANG J， LIU G， CHENG Y， et al. Construction and analysis of SHA-256 compression function based on chaos S-box ［J］. IEEE Access， 2021， 9： 61768-61777.
16	LAI L， LIANG Y， POOE H V. A unified framework for key agreement over wireless fading channels ［J］. IEEE Transactions on Information Forensics and Security， 2012， 7（2）： 480-490.
17	ALDAGHRI N， MAHDAVIFAR H. Physical layer secret key generation in static environments ［J］. IEEE Transactions on Information Forensics and Security， 2020， 15： 2692-2705.
18	MI D， DIANATI M， ZHANG L， et al. Massive MIMO performance with imperfect channel reciprocity and channel estimation error ［J］. IEEE Transactions on Communications， 2017， 65（9）： 3734-3749.
19	REN Y， PENG L， BAI W， et al. A practical study of channel influence on radio frequency fingerprint features ［C］// Proceedings of the 2018 IEEE International Conference on Electronics and Communication Engineering. Piscataway： IEEE， 2018： 1-7.
20	FURQAN H M， HAMAMREH J M， ARSLAN H. New physical layer key generation dimensions： subcarrier indices/positions-based key generation ［J］. IEEE Communications Letters， 2021， 25（1）： 59-63.

[1]	石岩, 武岳, 赵冬青. 基于协作干扰的混合智能反射面和中继辅助安全传输方案[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2024, 44(12): 3893-3898.
[2]	杨建喜, 张媛利, 蒋华, 朱晓辰. 边缘计算中基于深度Q网络的物理层假冒攻击检测方法[J]. 计算机应用, 2020, 40(11): 3229-3235.
[3]	罗文俊, 闻胜莲, 程雨. 基于区块链的电子医疗病历共享方案[J]. 计算机应用, 2020, 40(1): 157-161.
[4]	丁宁, 管新荣, 杨炜伟, 李彤凯, 王建设. 非完美信道估计条件下多比特量化无线密钥生成性能分析[J]. 计算机应用, 2020, 40(1): 143-147.
[5]	高宝建, 王少迪, 胡云, 曹艳军. 基于正交频分复用调制的物理层并行插值加密算法[J]. 计算机应用, 2018, 38(6): 1628-1632.
[6]	黄芮, 陈捷. 鲁棒的双向多中继物理层安全传输方案[J]. 计算机应用, 2018, 38(12): 3529-3534.
[7]	刘铭, 毛玉明, 冷甦鹏. 全双工无线供能物联网的物理层安全性能分析[J]. 计算机应用, 2018, 38(10): 2913-2917.
[8]	王怡杜伟章. 无双线性对的无证书签名方案的分析及改进[J]. 计算机应用, 2013, 33(08): 2250-2252.
[9]	李海峰蓝才会左为平马海云. 独立网络中新的双方密钥协商协议[J]. 计算机应用, 2013, 33(05): 1353-1356.
[10]	张紫楠刘威郭渊博. 物理不可克隆函数综述[J]. 计算机应用, 2012, 32(11): 3115-3120.
[11]	张玉磊王彩芬张永洁程文华韩亚宁. 一类无证书签名方案的密码学分析与启示[J]. 计算机应用, 2009, 29(11): 2957-2959.
[12]	常郝周国祥. 基于书写力与字形信息的生物特征密钥生成[J]. 计算机应用, 2009, 29(08): 2207-2209.

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Key generation algorithm based on cyclic grouping of difference thresholds

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