基于协作的信息论安全密钥生成策略和方法研究

Key generation is one of the crucial issues in modern cryptography. A key generated according to the criterion of Shannon's information-theoretic security is called as "the information-theoretic key", and it is absolutely secure in principle. Using cooperation among multiple nodes can effectively improve the efficiency of information-theoretic key generation and enhance achievable key rate and key capacity, which is a frontier topic in areas of information-theoretic security. In this proposal, for the typical networks models, we are concerned about the cooperative source coding schemes and source-channel coding schemes based on utilizing the correlation between source signals and the differences of channel qualities.In addition, we will study agreement strategies and implementation methods of key generation, and use information theoretic tools to analyze the corresponding secret key rate and key capacity, whose goal is to reveal the mechanism and crucial factor of cooperation in enhancing secret key rates. Furthermore, the theoretical models is extended to the practical cooperative wireless networks, and novel approaches and methods of key generation will be investigated through using resources of physical-layer wireless channels, which explores the engineering application value of theoretical results and provides the theoretical foundation for key generation in practical cooperative wireless networks.

密钥生成是现代密码学的核心问题之一。基于Shannon信息论安全准则设计的密钥，称之为信息论安全密钥，其具有理论上的绝对安全性。通过多节点协作，能够有效地改善信息论安全密钥的生成效率，提高可达的密钥速率和密钥容量，这是当前信息论和信息安全研究领域的前沿课题。 本项目将针对典型的理论网络模型，利用信源信号的相关性和信道质量的差异性，设计基于多节点协作的信源编码方法和信源信道联合编码方法，研究协作密钥生成的协商策略和实现方法，并利用信息论的基础理论和工具，分析其可达密钥速率和密钥容量，以揭示协作对提升密钥速率和密钥容量的机理和关键因素。进一步，将理论模型拓展到实际的无线协作通信场景，研究利用物理层无线信道资源实现密钥生成的途径和方法，探寻理论研究结果的工程应用价值，为实际无线协作通信网中的密钥生成提供理论依据和可行的方案。

本项目针对若干典型的理论网络模型，设计基于节点间协作的信息论安全密钥生成策略和方法，并且利用信息论基础理论，分析其可达密钥速率和密钥容量，揭示协作对提升密钥速率的机理和关键因素。..从信源模型、联合信源信道模型以及实际无线协作通信等角度，对协作密钥生成策略、算法以及性能展开深入分析研究，在以下几个方面取得了重要的研究结果：.1）多信源模型的密钥生成方法及其容量。分别提出了基于协作的私钥生成方法、同时生成密钥和私钥的方法以及群组密钥生成方法，理论推导了私钥容量、密钥-私钥容量域、群组密钥容量，并分析了影响密钥容量的主要因素。.2）中继-窃听信道模型中安全信息传输的方法和性能分析。利用中继和源端之间的协作，设计了新的协作传输策略，充分融合了显式协作和隐式协作，提升了主信道质量、抑制了窃听信道质量，从而明显增加了系统的安全传输速率。. 3）利用人工干扰技术改善和提高密钥速率和密钥容量。详细地分析比较了辅助干扰方案和人工状态辅助方案在经典的干扰窃听信道中的可达密钥速率，提出了人工干扰应用于无线网络中的设计方法，给出了其理论极限。.4）提升无线携能网络的密钥速率。提出了利用多天线技术和人工干扰技术提升无线携能网络的密钥速率的方法，分析了系统的中断概率和密钥容量，并给出了最优的功率和时间分配的算法。.5）非正交多址系统及其性能研究。从优化的角度严格证明了NOMA相对于OMA优越性，提出了一种评价NOMA系统性能的新准则，设计了几种MIMO-NOMA系统的预编码方法，并分析了其性能。..基于上述研究工作，取得了一批研究成果，在本领域顶级学术期刊和重要学术会议上发表SCI期刊论文21篇、EI会议论文3篇，截至2018年年底，累计SCI他引次数210次。另外，在本项目的支持下，培养博士后1名、博士生3名、硕士生3名。..本项目的研究成果能为实际无线协作通信网中的密钥生成提供理论依据和可行的设计方案。