基于平滑熵的无条件安全秘密钥协商时的密钥速率

本文研究了基于平滑熵进行无条件安全秘密钥协商时的密钥速率,得出了通信双方可以以强密钥速率协商无条件安全的共享密钥的条件。

基于差异阈值循环分组的密钥生成算法

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%。

无线平坦衰落信道的密钥生成速率研究

针对传统窃听信道模型中假定合法信道完全互易、窃听方只处理合法双方一方信号的问题,对传统的窃听信道模型进行了改进。一方面引入相关系数ρ0来刻画合法信道的互易程度,另一方面考虑窃听方能够获取并利用合法双方的信息。在此基础上,推导得到了密钥生成速率的解析表达式,并对影响密钥生成速率的因素进行了仿真分析。仿真结果表明,密钥生成速率随合法信道的相关系数ρ0、信噪比γ的增大而增大,随合法信道与窃听信道之间的相关系数ρ1、ρ2的增大而减小。

基于多随机信号流的密钥生成方案

基于随机信号流的密钥生成方案会在合法发送方发送随机信号时泄露部分共享随机源信息导致密钥安全性和可达密钥速率较低。针对此问题,该文提出一种基于多随机信号流的密钥生成方案。首先,发送方利用信道互易性和上行导频估计下行信道,然后发送方在各天线上发送相互独立的随机信号流。由于窃听者难以准确估计所有随机信号流,因此难以窃取接收方每根天线接收到的叠加随机信号,而发送方则可根据估计的下行信道和自身发送的随机信号流计算出接收方各天线的接收信号。因此,可以将接收天线上的叠加随机信号作为共享随机源提取密钥。进一步地,该文还推导了该方案的可达密钥速率和共享随机源的互信息量表达式,并分析了两者间的关系以及对密钥安全性的影响。最后,通过仿真验证了该方案的有效性,仿真结果表明该方案能够有效降低窃听者观察到的共享随机源互信息,从而提升可达密钥速率及密钥安全性。

国际首例基于无人机移动平台的量子密钥分发

[本刊讯]南京大学谢臻达、龚彦晓、祝世宁团队与中国科学技术大学郭光灿、韩正甫团队的银振强教授、王双教授、陈巍教授合作,在国际上率先完成基于无人机平台的量子密钥分发(quantum key distribution,QKD)实验,证明了利用无人机等移动平台能够完成实用化的光量子信息任务。团队自主研发了集成化QKD系统、全自动小型化高精度跟踪瞄准系统和运动状态下的偏振控制系统,搭载于自主研发的小型多旋翼无人机平台,完成了空地之间的QKD,安全密钥生成速率达到8000比特每秒。相关成果于2024年11月13日在线发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)。

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

针对无线密钥生成过程中的信道估计误差导致信道测量参数互易性差,严重影响通信双方生成密钥一致性的问题,提出了非完美信道估计条件下多比特量化无线密钥生成方案。首先,建立信道估计误差模型,研究非完美信道估计对无线密钥生成的影响,然后设计添加保护带的多比特密钥量化器,通过优化量化参数改善无线密钥性能。推导得到了密钥不一致率(KDR)和有效密钥速率(EKGR)的闭式表达结果,并揭示了导频信号功率、量化阶数和保护带与以上两个密钥性能指标的关系。仿真结果表明:增大发送导频功率可以有效降低密钥不一致率,提高量化阶数可以提升密钥生成速率但KDR也随之升高,增大量化阶数同时选择合适的保护带大小可以有效降低KDR。

应用诱骗态的光子轨道角动量测量设备无关量子密钥分发协议的研究

轨道角动量作为量子信息的一种载体,可应用于测量设备无关量子密钥分发协议中,来消除发送端和接收端间的基校准。诱骗态技术可以消除量子密钥分发协议采用弱相干光源时易被分裂攻击的缺陷。本文将轨道角动量态、测量设备无关方案和诱骗态方案相结合,设计一种基于高效轨道角动量分离方法的诱骗态光子轨道角动量测量设备无关量子密钥分发协议方案,避免了极化方案中对极化基的依赖性缺陷,提高了密钥速率,本文给出了该方案密钥速率的理论推导,并分别对采用无限个诱骗态和两个诱骗态时该方案密钥速率进行了仿真。研究结果表明,在相同条件下,基于轨道角动量的MDI-QKD协议方案比极化方案密钥速率更高。

基于散射簇特性的密钥生成安全性研究

对于宽带多天线通信系统,散射簇由于时延、角度信息可被分离提取,能够作为随机源生成密钥,从而增强系统的安全性.以平均密钥生成速率和中断密钥生成速率作为安全性的衡量,研究了具备不同参数特征的散射簇生成密钥的安全性能.通过理论分析和仿真验证,揭示了散射簇内子径数目、散射簇角度扩展和信噪比对平均密钥生成速率和中断密钥生成速率的影响.研究结果表明:密钥的安全性能随着子径数目的增多、信噪比的提高而提高.在高信噪比下,较大的角度扩展对应着较好的密钥安全性能;而在低信噪比下,较大的角度扩展对提高密钥的安全性能没有益处.

无线通信中基于量化隔离带的新型相位密钥生成方法

针对无线通信中利用物理层属性进行加密存在的密钥不一致以及密钥生成速率不高的问题,给出了一种基于信道量化隔离带的相位密钥生成新方法。利用相位均匀分布的属性,产生的密钥具有良好的随机性及均匀分布特性。利用信道量化隔离带的方法,在量化边界处设立隔离带,对产生误判概率较大的接收值进行删除,有效提高了生成的密钥一致性。仿真结果表明,该方法在提高密钥生成速率的同时确保了生成的密钥的准确性。

基于相干叠加态的非正交编码诱骗态量子密钥分发

非正交编码协议和诱骗态方法可以有效地抵御光子数分离攻击.由于相干叠加态中单光子成分高达90%,常作为单光子量子比特的替代出现,用于量子信息过程处理和计算.本文结合非正交编码协议和诱骗态方法提出一种新的量子密钥分发方案,光源采用相干叠加态,推导了单光子的密钥生成速率、计数率下限和误码率的上限,利用Matlab模拟了无限多诱骗态情况下和有限多诱骗态情况下密钥生成速率和传输距离的关系,得出该方案可以提升密钥生成速率并且提高安全传输距离,验证了该方案可以进一步提高量子密钥分发系统的性能.

基于无线信道密钥生成的中间人攻击

针对导频的公开性和不变性以及无线通信的广播性导致的信息泄露问题,研究中间人攻击给基于无线信道生成共享密钥带来的安全威胁。在合法用户进行信道估计期间,攻击者通过放大转发合法用户的导频信息,操控合法用户的信道测量,窃取合法用户的信道状态信息,推演其生成的共享密钥对。在转发功率一定的情况下,给出了信息泄露率的闭式解和最优解。研究和仿真结果表明,中间人攻击可以窃取经过的所有信道状态信息,能够取得比信号注入攻击更大的信息泄漏率。

面向IoT场景的动态超表面天线密钥生成方法

针对物联网(IoT)场景中信道密钥更新缓慢、生成速率低、节点资源受限等问题,利用动态超表面天线(DMA)的捷变性和可重构特性提高接收信号的时变性和随机性,设计了基于DMA的物理层密钥生成方法。首先,发送端采用DMA对信号进行随机捷变加权并发送给接收端,在不影响信号透明接收的前提下增强了信号的随机性;然后,收发双方从接收信号中提取密钥。所提方法将DMA系数的捷变性和随机性、信号源的随机性以及自然信道的随机性三者叠加增强,构造复合信道提高密钥源随机性,并将信道估计开销由终端转移至基站,有效降低了通信系统的开销和时延,适用于资源非对称、节点轻量级的IoT场景。仿真结果表明,所提方法可以有效提高准静态信道下的密钥生成速率,并且所生成的物理层密钥通过了NIST指标测试。

密钥提取中降低密钥不一致率的量化方法研究

在现有的基于无线信道特征的物理层密钥提取方法中,合法通信双方量化门限附近的测量值有较大可能被量化到门限两侧,从而造成收发双方生成密钥的不匹配。针对这一问题,有学者提出了基于量化隔离带的信道量化方法,通过删除量化隔离带内的测量值以降低生成密钥不一致率,但影响了密钥生成速率。对此,文章提出一种基于量化隔离带的自适应信道量化方法(ACQG),通过对量化隔离带内的测量值进行自适应调整,在保证密钥一致性的基础上提高了密钥生成速率。为了进一步提高生成密钥一致性,文章在ACQG的基础上又提出了自适应修正信道量化方法(MACQ)。仿真结果表明,与传统密钥提取算法相比,文中方法可以有效提高密钥提取速率和生成密钥一致性。

无线密钥提取过程中改进的多比特量化算法

在量化过程中,现有带保护间隔的量化算法CQG删除特征值较多,导致密钥生成速率较低。为此,提出了一种新的基于CQG算法的改进算法。算法的主要思想为:通信双方互相发送索引信息,根据接收到的索引信息删除边界处会量化出错的特征值。改进算法与CQG算法的不同之处在于通信双方特征值位于同一保护间隔内或一方特征值位于保护间隔内而另一方特征值位于保护间隔外时,双方的特征值不会被删除。仿真结果表明:改进算法使密钥生成速率显著提高,虽然量化后的密钥不一致率相对于CQG算法有所增加,但从整个密钥生成过程考虑,改进算法与信息协商协议结合后,总的密钥生成速率显著提高。

基于用户位置变化的密钥生成速率

在传播环境不发生改变时,唯一能带来不确定性的因素是用户位置的不断变化。该文研究了用户位置移动范围与无线密钥生成速率上界的关系。针对两种极端的静态环境场景,分析了其密钥生成速率上界。结果表明:在简单的信道环境中,信道状态分布并不是Gauss分布,此时的密钥生成速率上界仅受到用户位置改变的影响。该文分析了在简单的单反射面场景下密钥生成速率上界与信道的估计误差之间的关系。通过数值仿真得到了多散射点场景下不同信道估计误差下的密钥生成速率上界,结果表明在合法用户具有较高信噪比情况下,用户位置移动范围在1个波长左右即可获得较高的密钥生成速率上界。

基于用户位置信息的密钥生成安全性

随着无线与移动通信个人业务的快速发展,利用无线信道的特性生成密钥的方法成为新的研究热点,但这种方法并非绝对安全。当窃听者获得足够的散射环境信息和用户位置信息,就可能重构出合法用户之间的信道信息,影响密钥的安全性。其中用户和窃听者共同的散射环境难以做到对窃听者保密,但用户位置信息由于用户移动和窃听者有限的观测能力具备不确定性,能够为密钥生成提供安全保障。该文以密钥生成速率为安全性的衡量,研究了基于合法用户位置信息的密钥生成速率。首先推导了窃听者对不同场景(视距、非视距和不同散射物数量)中的用户位置推测误差表达式;然后通过仿真,分析了窃听者对距离和角度不同观测误差、同一密钥生成周期内不同的信道观测次数对密钥生成速率的影响;基于仿真和分析结果,证明了利用用户位置不确定度能够保障一定的密钥生成速率,从而确保了密钥的安全。

基于宽带信道状态信息的密钥生成策略

对于宽带通信系统,大量的频点信息可以作为随机源生成密钥,从而增强通信系统的安全性。然而环境中散射径的数目是有限的,导致不同频点存在着相关性。在限定总发送功率的条件下,针对不同频点的功率分配策略会对密钥的安全性能产生影响。该文以密钥生成速率作为密钥安全性的衡量,建立了功率分配模型以实现密钥生成速率的最大化,并利用Lagrange乘数法进行求解。为降低计算复杂度,提出了一种次优的功率分配方法,并与最优的序列二次规划(sequential quadratic programming,SQP)求解算法进行对比,数值结果表明:次优功率分配策略下得到的密钥安全性能非常接近通过SQP算法得到的最优功率分配策略的密钥安全性能。

基于物理信道的信道特征提取研究进展

无线信道的互易性及信道特征随机性是基于物理信道的密钥生成技术的基础。经典物理层密钥生成过程包括信道探测、信道特征提取、量化、信息协商、保密增强五个阶段。而信道特征提取是密钥生成过程中的关键一步。在信道特征提取过程中,特征信号的选取关系到生成密钥的随机性。随机性的降低会影响生成密钥的安全性,从而降低密钥生成速率。本文概述了物理层密钥生成过程,分析了物理信道中特征信号提取的研究成果,最后讨论下一步的研究方向。