CN104010299B - 基于物理层安全的移动通信会话私密性增强方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于物理层安全的移动通信会话私密性增强方法，包括以下步骤：终端发送初始接入请求，基站为终端分配专用密钥协商信道；基站与终端分别提取该信道的信道特征，并利用信道特征生成一致性密钥；基站为终端分配专用业务信道，并释放专用密钥协商信道；终端和基站采用生成的密钥对专用业务信道上进行的通信会话进行加密；定期测量和提取专用业务信道的信道特征，并利用信道特征更新密钥。通过采用上述方法，本发明在信号层面将加密与无线信道绑定，从通信开始阶段即建立物理隔离的安全通信管道，防止现有移动通信中用户标识等敏感信息泄露，从而有效解决了移动通信过程中敏感信息的不安全传输问题。

Description

基于物理层安全的移动通信会话私密性增强方法

技术领域

本发明涉及一种基于物理层安全的移动通信会话私密性增强方法。

背景技术

在通用移动通信***中，加密机制被用来保障用户通信安全，但是，加密机制启动的前提是网络根据收到的用户身份标识信息获得对应的加密密钥，这使得从终端接入到认证协商这段过程无法启用加密保护措施。以LTE***信令流程为例，UE、eNodeB和MME的基本信令交互流程如图1所示。从图1可以得出，从UE请求接入到认证协商这段过程中，终端需要向网络提交身份标识IMSI等敏感信息以完成鉴权认证过程，这就导致了***存在泄露用户身份标识等敏感信息的风险。UE接入网络过程中的认证与密钥协商（AKA）是LTE***安全的基础，但对于在密钥协商前就暴露的敏感信息仍然没有很好地解决，因此针对用户身份信息明文传输易泄露的问题，便迫切需要研究相应的加密机制，并制定出相应的安全措施。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于物理层安全的移动通信会话私密性增强方法，能够在信号层面解决用户身份标识等敏感信息的安全传输问题，并且将加密与信道绑定，建立物理隔离的通信管道，防止用户身份标识、业务类型、注册类型等敏感信息通过明文传输方式泄露，从而有效增强移动通信***的安全性和移动通信过程中的会话私密性。

本发明的技术方案是：

一种基于物理层安全的移动通信会话私密性增强方法，包括以下步骤：

步骤A：终端发送初始接入请求，基站为终端分配专用密钥协商信道；

步骤B：基站与终端分别提取该专用密钥协商信道的信道特征，并利用信道特征生成一致性密钥；

步骤C：基站为终端分配专用业务信道，并释放上述专用密钥协商信道；

步骤D：终端和基站采用步骤B中所生成的密钥对在专用业务信道上进行的通信会话进行加密；

步骤E：终端和基站定期测量和提取专用业务信道的信道特征，并利用信道特征更新密钥。

上述基于物理层安全的移动通信会话私密性增强方法，其中在步骤A中，终端发送初始接入请求，且基站为终端分配专用密钥协商信道的具体步骤为：

步骤A1：根据广播参数信息，终端获得进行随机接入的物理层资源和相应的码集，然后在相应的随机接入信道上发送初始随机接入请求；

步骤A2：基站对随机接入信道进行检测，如果检测到接入请求，对接入进行反馈，并通过公共接入信道为终端分配专用密钥协商信道；

步骤A3：终端对随机接入信道进行检测，如果检测到专用密钥协商信道指示，则在专用密钥协商信道上响应相同信息，告知基站专用密钥协商信道分配完成，否则返回至步骤A2。

上述基于物理层安全的移动通信会话私密性增强方法，其中在步骤B中，基站与终端提取信道特征，并生成一致性密钥的具体步骤为：

步骤B1：终端与基站分别在专用密钥协商信道上发送信道测量信号，提取专用密钥协商信道的特征参数；

步骤B2：终端与基站分别对信道特征参数进行量化，生成量化比特序列，终端与基站约定提取规则和密钥长度，并各自从量化比特序列中提取密钥；

步骤B3：终端与基站对各自生成的密钥进行一致性校验，以确认双方生成了相同的密钥。

上述基于物理层安全的移动通信会话私密性增强方法，其中在步骤B3中，终端与基站对各自生成的密钥进行一致性校验的具体步骤为：

步骤B31：终端生成随机数R，并用经步骤B2所产生的终端密钥K_A进行加密，得到然后发送至基站，其中表示密钥K_A存在条件下的加密算子；

步骤B32：基站用经步骤B2所产生的基站密钥K_B来解密收到的值，并对其进行Hash操作，然后用K_B对其进行加密，得到并再反馈至终端，其中为密钥K_B存在条件下基站端的解密算子，H为Hash算子；

步骤B33：终端用K_A解密收到的信息，如果结果是H(R)，则向基站发送“肯定”确认信号，表明双方生成了相同的密钥；如果结果不是H(R)，则发送“否定”确认信号，表明双方的密钥不一致，并返回至步骤A2，重新分配专用密钥协商信道。

上述基于物理层安全的移动通信会话私密性增强方法，其中在步骤C中，基站根据网络中可用信道资源、终端的支持能力以及所需交互信息的速率请求，为终端分配适用的专用业务信道；终端在收到专用业务信道分配指示后，则释放专用密钥协商信道，启用专用业务信道。

上述基于物理层安全的移动通信会话私密性增强方法，其中在步骤D中，终端和基站采用轻量级的加密方式对信息加密，并且加密后的信息选择适应的编译码及速率匹配，并在步骤C中所启用的专用业务信道上进行交互。

上述基于物理层安全的移动通信会话私密性增强方法，其中在步骤D中，假设终端要发送的明文信号为x，专用信道状态矩阵为H_AB,终端生成的终端密钥为K_A，则基站收到加密后的信息y_B可表示为：

$y_B=H_{\mathrm{AB}}{E}_{K_A}\left(x\right)+n_{\mathrm{AB}}$

其中n_AB为信道背景噪声，表示密钥K_A存在条件下的加密算子；若则整个对信息加密的过程可以等效为采用密钥对专用业务信道H_AB的加密过程，加密后的等效业务信道为：H′_AB=H_ABK_A，其中H′_AB为等效的专用业务信道，故终端与基站之间形成等效的物理隔离信道，用户身份标识信息在加密后的专用业务信道上进行交互。

上述基于物理层安全的移动通信会话私密性增强方法，其中在步骤E中，终端与基站在约定时间内测量专用业务信道，提取信道参数，生成与旧密钥参数一致的新密钥；并且，终端与基站设定延迟时间，同步更换新密钥，从而对后续进行的通信会话进行加密。

本发明的有益效果是：本发明通过采用物理层加密技术，使其基于信道的信号特性进行加密，而与信道上传输的具体内容无关，从而实现了传输层加密，在终端接入与加密协商这段过程，即在终端提交身份标识信息之前即可启动加密，这样便在信号层面解决了用户身份标识等敏感信息的安全传输问题，并且将加密与信道绑定，建立物理隔离的通信管道，防止用户身份标识、业务类型、注册类型等敏感信息通过明文传输方式泄露，进而有效增强了移动通信***的安全性和移动通信过程中的会话私密性。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为现有技术中的LTE***基本信令交互流程图；

图2为本发明的基于物理层安全的移动通信会话私密性增强机制流程图；

图3为本发明的一致性确认流程图；

图4为本发明的LTE协议信令流程图。

具体实施方式

实施例一：如图2所示，一种基于物理层安全的移动通信会话私密性增强方法，包括以下步骤：

步骤100：终端发送初始接入请求，基站为终端分配专用密钥协商信道；

步骤200：基站与终端分别提取该专用密钥协商信道的信道特征，并利用信道特征生成一致性密钥；

步骤300：基站为终端分配专用业务信道，并释放上述专用密钥协商信道；

步骤400：终端和基站采用步骤B中所生成的密钥对在专用业务信道上进行的通信会话进行加密；

步骤500：终端和基站定期测量和提取专用业务信道的信道特征，并利用信道特征更新密钥。

作为优选，在步骤100中，终端发送初始接入请求，且基站为终端分配专用密钥协商信道的具体步骤为：

步骤A1：根据小区***广播参数信息，终端获得进行随机接入的物理层资源和相应的参数（前导序列集合等），然后在相应的随机接入信道上发送初始随机接入请求；

步骤A2：基站对随机接入信道进行检测，如果检测到接入请求，对接入进行下行反馈，其中反馈信息中含有专用密钥协商信道指示信息（如频率偏移等），用以指示终端专用密钥协商信道时频域，并通过公共接入信道为终端分配专用密钥协商信道；

步骤A3：终端对随机接入信道进行检测，如果检测到专用密钥协商信道指示，终端则可在专用密钥协商信道上监听是否存在反馈信号，如果收到反馈信号，则在专用密钥协商信道上响应相同信息，告知基站专用密钥协商信道分配完成，否则返回至步骤A2。为终端分配专用密钥协商信道，便于双方在干扰较少时估计出互易性更精确的信道幅度响应。

在步骤200中，基站与终端提取信道特征，并生成一致性密钥的具体步骤为：

步骤B1：终端与基站分别在专用密钥协商信道上发送信道测量信号，提取专用密钥协商信道的特征参数。其中，终端与基站可采用时分的方式分别发送测量信号，并且测量信号选择相同的前导序列即可；并且终端与基站分别在专用密钥协商信道上接收对方的测量信号，用以估计信道特征参数（幅度、相位等），由TDD的短时互易性，可以认为双方在时间间隔允许的范围内测得的信道幅度响应是互易的；

步骤B2：终端与基站提取信道特征参数后，分别对信道特征参数进行量化，生成量化比特序列，终端与基站约定相同的提取规则并综合考虑适用的密钥长度，各自从量化比特序列中提取密钥。其中，由于信道特征参数包含信道响应幅度、相位以及信噪比等信息，具体实施中可以只提取一种参数或几种参数混合生成密钥，并且量化规则的选取要考虑终端的实际能力，不宜过于复杂，简单的信道量化方案即可；

步骤B3：终端与基站对各自生成的密钥进行一致性校验，以确认双方生成了相同的密钥。

进一步地，如图3所示，其中在步骤B3中，终端与基站对各自生成的密钥进行一致性校验的具体步骤为：

步骤B31：终端生成随机数R，并用经步骤B2所产生的终端密钥K_A进行加密，得到然后发送至基站，其中表示密钥K_A存在条件下的加密算子；

步骤B32：基站用经步骤B2所产生的基站密钥K_B来解密收到的值，并对其进行Hash操作，然后用K_B对其进行加密，得到并再反馈至终端，其中为密钥K_B存在条件下基站端的解密算子，H为Hash算子；

步骤B33：终端用K_A解密收到的信息，如果结果是H(R)，则向基站发送“肯定”确认信号，表明双方生成了相同的密钥；如果结果不是H(R)，则发送“否定”确认信号，表明双方的密钥不一致，并返回至步骤A2，重新分配专用密钥协商信道。

实施例二：在实施例一的基础上，上述基于物理层安全的移动通信会话私密性增强方法，其中在步骤C中，基站根据网络中可用信道资源、终端的支持能力以及所需交互信息的速率请求，为终端分配适用的专用业务信道，以满足后续交互信息数据量较大的要求；终端在收到专用业务信道分配指示后，则释放专用密钥协商信道，启用专用业务信道。

在步骤D中，终端和基站采用轻量级的加密方式对信息加密，并且加密后的信息选择适应的编译码及速率匹配，并在步骤C中所启用的专用业务信道上进行交互。

进一步地，在步骤D中，假设终端要发送的明文信号为x，专用信道状态矩阵为H_AB,终端生成的终端密钥为K_A，则基站收到加密后的信息y_B可表示为：

$y_B=H_{\mathrm{AB}}{E}_{K_A}\left(x\right)+n_{\mathrm{AB}}$

其中n_AB为信道背景噪声，表示密钥K_A存在条件下的加密算子；若则整个对信息加密的过程可以等效为采用密钥对专用业务信道H_AB的加密过程，加密后的等效业务信道为：H′_AB=H_ABK_A，其中H′_AB为等效的专用业务信道，故终端与基站之间形成等效的物理隔离信道，用户身份标识信息在加密后的专用业务信道上进行交互。

在步骤E中，终端与基站在约定时间内测量专用业务信道，提取信道特征参数，生成与旧密钥参数（如长度、量化等级等）一致的新密钥；并且，终端与基站设定延迟时间，同步更换新密钥，从而对后续进行的通信会话进行加密。采用该方法，是因为终端与基站必须实时更新密钥，由于资源受限导致基站无法持续为每一个终端分配专用的密钥协商信道，因此在释放专用密钥协商信道以后，终端与基站可以定期测量专用业务信道的变化，并提取信道特征参数，生成新密钥，在约定一定时间间隔后终端与基站同步更新密钥，从而保证密钥的时变安全性。

本发明会带来LTE协议的如图4所示的改变，即在接入响应到RRC连接请求这段过程中加密，保证后续通话内容的安全，该机制下泄漏的只是终端的随机接入信息，不会泄露任何与用户身份相关的敏感信息。虽然基于物理层安全的移动通信会话私密性增强机制势必会带来接入时间的延迟和一定的计算复杂度，但是这在初始接入到业务通信前的处理过程，并不影响后续的正常通信，是可以接受的。

终上所述，通过采用上述物理层加密技术，使本发明基于信道的信号特性进行加密，而与信道上传输的具体内容无关，从而实现了传输层加密，在终端接入与加密协商这段过程，即在终端提交身份标识信息之前即可启动加密，这样便在信号层面解决了用户身份标识等敏感信息的安全传输问题，并且将加密与信道绑定，建立物理隔离的通信管道，防止用户身份标识、业务类型、注册类型等敏感信息通过明文传输方式泄露，进而有效增强了移动通信***的安全性和移动通信过程中的会话私密性，有很强的实用价值。

上面结合附图对本发明优选的具体实施方式和实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式和实施例，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明构思的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.一种基于物理层安全的移动通信会话私密性增强方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤A：终端发送初始接入请求，基站为终端分配专用密钥协商信道，具体包括以下步骤：

步骤A1：根据广播参数信息，终端获得进行随机接入的物理层资源和相应的码集，然后在相应的随机接入信道上发送初始随机接入请求；

步骤A2：基站对随机接入信道进行检测，如果检测到接入请求，对接入进行反馈，并通过公共接入信道为终端分配专用密钥协商信道；

步骤A3：终端对随机接入信道进行检测，如果检测到专用密钥协商信道指示，则在专用密钥协商信道上响应相同信息，告知基站专用密钥协商信道分配完成，否则返回至步骤A2；

步骤B：基站与终端分别提取该专用密钥协商信道的信道特征，并利用信道特征生成一致性密钥；

步骤C：基站为终端分配专用业务信道，并释放上述专用密钥协商信道；

步骤D：终端和基站采用步骤B中所生成的密钥对在专用业务信道上进行的通信会话进行加密；

步骤E：终端和基站定期测量和提取专用业务信道的信道特征，并利用信道特征更新密钥。

2.如权利要求1所述的基于物理层安全的移动通信会话私密性增强方法，其特征在于：在步骤B中，基站与终端提取信道特征，并生成一致性密钥的具体步骤为：

步骤B1：终端与基站分别在专用密钥协商信道上发送信道测量信号，提取专用密钥协商信道的特征参数；

步骤B2：终端与基站分别对信道特征参数进行量化，生成量化比特序列，终端与基站约定提取规则和密钥长度，并各自从量化比特序列中提取密钥；

步骤B3：终端与基站对各自生成的密钥进行一致性校验，以确认双方生成了相同的密钥。

3.如权利要求2所述的基于物理层安全的移动通信会话私密性增强方法，其特征在于：在步骤B3中，终端与基站对各自生成的密钥进行一致性校验的具体步骤为：

步骤B31：终端生成随机数R，并用经步骤B2所产生的终端密钥K_A进行加密，得到E_KA(R)，然后发送至基站，其中E_KA(.)表示密钥K_A存在条件下的加密算子；

步骤B32：基站用经步骤B2所产生的基站密钥K_B来解密收到的值，并对其进行Hash操作，然后用K_B对其进行加密，得到并再反馈至终端，其中D_KB(.)为密钥K_B存在条件下基站端的解密算子，H为Hash算子；

步骤B33：终端用K_A解密收到的信息，如果结果是H(R)，则向基站发送“肯定”确认信号，表明双方生成了相同的密钥；如果结果不是H(R)，则发送“否定”确认信号，表明双方的密钥不一致，并返回至步骤A2，重新分配专用密钥协商信道。

4.如权利要求1至2中任一项所述的基于物理层安全的移动通信会话私密性增强方法，其特征在于：在步骤C中，基站根据网络中可用信道资源、终端的支持能力以及所需交互信息的速率请求，为终端分配适用的专用业务信道；终端在收到专用业务信道分配指示后，则释放专用密钥协商信道，启用专用业务信道。

5.如权利要求1至2中任一项所述的基于物理层安全的移动通信会话私密性增强方法，其特征在于：在步骤D中，终端和基站采用轻量级的加密方式对信息加密，并且加密后的信息选择适应的编译码及速率匹配，并在步骤C中所启用的专用业务信道上进行交互。

6.如权利要求5所述的基于物理层安全的移动通信会话私密性增强方法，其特征在于：在步骤D中，假设终端要发送的明文信号为x，专用信道状态矩阵为H_AB,终端生成的终端密钥为K_A，则基站收到加密后的信息y_B可表示为：

y_B＝H_ABE_KA(x)+n_AB

其中n_AB为信道背景噪声，E_KA(.)表示密钥K_A存在条件下的加密算子；若E_KA(x)＝K_Ax，则整个对信息加密的过程可以等效为采用密钥对专用业务信道H_AB的加密过程，加密后的等效业务信道为H_AB′＝H_ABK_A，其中H_AB′为等效的专用业务信道，故终端与基站之间形成等效的物理隔离信道，用户身份标识信息在加密后的专用业务信道上进行交互。

7.如权利要求2所述的基于物理层安全的移动通信会话私密性增强方法，其特征在于：在步骤E中，终端与基站在约定时间内测量专用业务信道，提取信道参数，生成与旧密钥参数一致的新密钥；并且，终端与基站设定延迟时间，同步更换新密钥，从而对后续进行的通信会话进行加密。