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一种水下无线传感器网络的密钥提取方法_徐晨.pdf
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1、基金项目:国家自然科学基金(52071164)收稿日期:20210426修回日期:20210430第 40 卷第 2 期计算机仿真2023 年 2 月文章编号:10069348(2023)02041505一种水下无线传感器网络的密钥提取方法徐晨,王彪(江苏科技大学,江苏 镇江 212003)摘要:由于水下无线传感器节点是由电池供电,所以节点的内存、计算能力十分有限。传统方案是利用复杂的计算来保障安全的加密算法,这将会提高能耗,大大缩短传感器的使用时长,并不适用于水下无线传感器网络。为了增长传感器的使用时长,同时保证通信数据的安全传输,提出一种以水下声信道特征作为加密随机源的物理层安全方案。方案
2、通过合法双方互发信道探测序列,提取信道状态信息,并基于该特性采用改进的 CQG 算法生成密钥。实验结果表明,与传统 CQG 算法相比,上述方案在密钥不一致率略微降低的情况下,能够有效提高密钥生成效率。关键词:水下无线传感器网络;信道特征;物理层安全中图分类号:TN918.8文献标识码:BA Key Extraction Method for Underwater Wireless Sensor NetworksXU Chen,WANG Biao(Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang Jiangsu 212003,China
3、)ABSTACT:Since the underwater wireless sensor nodes are powered by batteries,the memory and computing ca-pacity of the nodes are very limited The traditional solution is to use complex computation to guarantee the security ofencryption algorithm,which will greatly shorten the use time of the sensor
4、and is not suitable for underwater wirelesssensor network In order to increase the service time of the sensor and ensure the safe transmission of communicationdata,a physical layer security scheme based on underwater acoustic channel features as encrypted random source wasproposed In this scheme,the
5、 channel state information was extracted by sending the channel detection sequence be-tween the legitimate parties,and based on this characteristic,the improved CQG algorithm was used to generate thekey Experimental results show that,compared with the traditional CQG algorithm,the proposed scheme ca
6、n effec-tively improve the efficiency of key generation under the condition that the key inconsistency rate is slightly reducedKEYWODS:Underwater wireless sensor network;Channel characteristics;Physical layer security1引言随着人类对海洋的探索开发,水下通信逐渐引起了人们的广泛关注。水下无线传感器网络(Underwater WirelessSensor network,UWSN)凭
7、借极大的通信的自由度被广泛的应用于环境检测、资源开采、军事等领域1。但是,由于水下声信道的开放性和声传输的广播特性,UWSN 很容易遭受敌手的侦听2。传统的 UWSN 安全机制主要依靠以数学难题为基础的对称加密和非对称加密体制,试图通过计算的复杂程度来防止需要传输的密文信息被窃取35。这种安全手段毫无疑问会带来较高的能耗,而且,随着传感器节点个数的增加,需要的密钥数量呈指数级上升,密钥的分发、存储和管理等过程也会带来巨大的开销。然而,UWSN 是由电池供电,节点的内存、计算能力十分有限,并且密钥管理设施一旦被攻破,那么其所服务的节点将不再安全。利用水声信道固有的随机传播特性完成密钥分发的物理层
8、安全方案不需要进行数学难题的运算,避免了不必要的开销,是一种轻量级的方案。因此,该物理层安全方案逐渐引起了学者们的重视。文献 6 将物理层安全方案引入水下通信系统,首次提出了具有鲁棒性的基于水下信道特征的密钥生成方案。文献 7 将信息隐藏技术和文献 6中的密钥生成技术相结合,确保水声信息的隐蔽传输,为水声隐蔽通信提供了加密支持。文献 8利用接收信号强度 SS 以及 OFDM 系统来生成密钥。然而 SS 是一种粗粒度的信道测量值,不能完全使用信道信息,且变化缓慢,容易造成长连 1 或长连 0。文献 9 中提到一种基于量化保护带的信道量化(CQG)算法。514这种算法高效的量化出信道特征值,然而大
9、量保护带的设立造成了信道资源的浪费。文献 10中提出了另一种信道量化方案,利用相位的均匀特性实现 MAQ 算法。然而相位容易受到噪声、频偏的影响,实际情况下很难维持相位的稳定性,量化出的密钥很大概率不能使用。上述文献都是基于水下信道特征实现对数据的加密,本文主要是在文献 9的基础上,对文献 9 中的算法进行改进。改进的 CQG 算法减少了信道特征的不必要浪费,并且在密钥不一致率几乎不变的条件下,大大提高了密钥的生成效率。2物理层安全原理及模型2.1物理层安全原理水下无线信道是一个复杂的随机信道,声源发出的信号由不同声线向水中扩散,经过反射和折射最终到达接收端,产生丰富的多途效应,其表达式如下h
10、(t)=N1i=0a(i)(t i)(1)其中,N 代表多途路径数,a(i)代表第 i 条信道的传输衰减,(ti)代表第 i 条信道的传输时延。同时,无线信道具有短时互易性,系统工作在时分双工(Time Division Dual,TDD)模式的一个相干时间 Tc 内,信道几乎不产生变化。即在相干时间 Tc 内 hab=hba;而超过一个相干时间 Tc,无线信道呈现出时变性,由于多途效应的存在,信道将会发生剧烈的变化,即 habhba。信道的这种随机变化为无线密钥的生成提供了天然的随机源;信道还具有空变性,两个节点之间的距离如果超过/2,其中 代表声波的波长。则从同一主节点发送来的信道探测序列
11、表现出不同的信道特征。=vf(2)v 代表声波速度,f 代表通信频率。声波在水中传播的速度约为 1500m/s,中距离水声通信频段为 10kHz 数量级,意味着只要窃听节点在合法节点 0.015 0.15m 以外的位置,就无法提取与合法节点相同的信道特征。因而,通信双方间的信道被非法节点窃听的概率非常低。无线信道固有的特性充分的保证了物理层通信的安全。倘若非法节点想要有效地窃取该信道信息,就必须非常靠近合法通信节点的任意一方,这时非法节点暴露的风险也非常高。2.2物理层安全模型考虑一般 UWSN 物理层安全模型如图 1 所示。该模型由合法传感器节点 Alice 和 Bob,窃听器节点 Eve
12、以及水声多途信道构成,系统的工作模式为 TDD 模式。为了侧重分析密钥生成环节,假定 Alice 和 Bob 之间的信道探测满足信道互易性即 T1+T2Tc,Eve 是被动窃听节点,且与合法通信节点的距离大于半波长。Eve 知道密钥提取算法的所有过程,但是不能进行主动攻击。下面对物理层安全模型进行分析,不失一般性地,设Alice 为主节点 Bob 为从节点,主节点 Alice 在 T1 时隙向 Bob图 1UWSN 窃听信道模型发送信道探测序列 sa(t),Yab(t)为从节点 Bob 接收到的探测信号,Yae(t)为窃听节点 Eve 接收到的信号。Yab(t)=hab(t)*sa(t)+na
13、b(t)(3)Yae(t)=hab(t)*sa(t)+nab(t)(4)其中,hab(t)为 Alice 和 Bob 之间的信道冲击响应(ChannelImpulse esponse,CI),hae(t)为 Alice 和 Eve 之间的 CI,并且根据信道空变性 hab(t)hae(t),nab(t)为 Bob 端接收到的噪声 nabCN(0,2nAB),nae(t)为 Eve 端接收到的噪声,nae(t)CN(0,2nAE),nab(t)和 nae(t)相互独立。在 Bob 接收到来自Alice 的信道探测序列之后,从节点 Bob 在 T2 时隙立刻向Alice 发送信道探测序列 sb(t
14、),Yba(t)为从节点 Bob 接收到的探测信号,Ybe(t)为窃听节点 Eve 接收到的信号。Yba(t)=hba(t)*sb(t)+nba(t)(5)Ybe(t)=hbe(t)*sb(t)+nbe(t)(6)其中,hba(t)为 Bob 和 Alice 之间的信道冲击响应,hbe(t)为Bob 和 Eve 之间的信道冲击响应,根据信道空变性 hba(t)hbe(t),nba(t)为 Alice 端接收到的噪声,nba(t)CN(0,2ba),nbe(t)为 Eve 端的噪声,nbe(t)CN(0,2be),nba(t)和 nbe(t)相互独立。结合信道的短时互易性可知:hab(t)=hb
15、a(t)hae(t)hbe(t)。3基于改进 CQG 的密钥生成方案根据第 2 节所述的物理层安全原理及模型,提出一种改进的 CQG 算法。其步骤可总结如下:1)合法通信双方互发探测序列进行信道特征提取;2)对估计信号进行预处理;3)对预处理后的信号提取 GIB 序列并进行量化;4)保留 GIB=0 的量化值,提取 GIB=1 的 CI 进行二次平滑量化。3.1信道特征提取根据 2.2 节所述,接收端接收到的信号可以概括为以下表达式y(t)=h(t)*s(t)+n(t)(7)Alice 根据接收的信号估计信道特征值 CI:614hab(t)*sab(t)=yab(t)nab(t)(8)hab(
16、t)=yab(t)/sab(t)nab(t)/sab(t)(9)hab(t)=hab(t)zab(t)(10)同理,Bob 根据接收的信号估计信道特征值 CI:hba(t)=hba(t)zba(t)(11)其中,h()代表接收端信号估计值,h()代表实际信道冲激响应,zab(t)和 zba(t)分别代表经过处理后的噪声部分。zab(t)CN(0,2ab),zba(t)CN(0,2ba),zab(t)和 zba(t)相互独立,根据式(10)和式(11)可知,加性噪声的干扰是破坏信道短时互易性的主要因素,这使得信道的互易性高度相关但却不完全一致。3.2预处理由式(11)可知,估计信号包含信道增益和
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