Page 222 - 应用声学2019年第4期

682 2019 年 7 月

据，如图1所示。
0 引言 基于互易性原理，本文采用两个节点间独特的
信道特征来产生加密密钥。信息头用来做帧同步和
随着国家海洋战略的提出，各种水下测控平
信道估计，帧序列号用来防止信息重发攻击，且为密
台大量投入到水下测控领域，为海洋开发提供支
钥生成中的重要部分；数据负载包含要发送的信息。
撑。在海洋开发中，如何将重要信息安全隐蔽地传
密钥是由发射机和接收机两部分独立生成，融合了
输到接收端而不被截获是水声通信中需要解决的
信道多途测量量和帧序列号。为了进一步提升密钥
一个关键问题。佛罗里达大学的 Ling 等 [1] 研究了
的随机性，将 m 比特伪随机序列添加到 k 比特的密
直接序列扩频 (Direct sequence spread spectrum,
钥后 (伪随机序列是关于帧序列号的函数)。k + m
DSSS) 信号在隐蔽通信中的应用，但其隐蔽通信方
长度的密钥保证了更高级别的信息安全性。
法是通过牺牲通信速率达到的；哈尔滨工程大学在
仿生隐蔽通信方面较早开展了工作，韩笑等 [2] 提出
ళҫࠛ ҫࠛ
一种选取海豚 whistles 信号作为同步码和 Pattern
ηৌ݀ ࣝऀѵՂ ஝૶᠇ᣒ
码，并以相邻 whistles 信号之间的时延差值携带信
息的仿生水声通信技术。以上水声隐蔽通信方法中
通过利用低截获概率信号或者仿生的噪声模拟通 图 1 信息帧结构
信方式来降低信号的截获概率，未从信息隐藏和加 Fig. 1 Information frame structure
密方面进行较多考虑。
1.2 密钥产生过程
目前，基于水声信道的密钥生成算法研究相对
当节点 B 要向节点 A 发送信息时，密钥的产生
较少，对无线领域的基于无线信道的密钥生成算法
过程如图2所示。
研究较多。陆军工程大学的石会等 [3] 比较了根据
提取无线信道物理特征参数不同，生成物理密钥方 A B
ᝠካܳ᤭ፒᝠ᧚ ళҫࠛࣝRTS
案的优劣。其提取的信道特征参数包括接收信号强 ̗ၷࠛᨅKey_A
度、信道状态信息、信道脉冲响应与到达波角度，详
细介绍了基于无线信道脉冲响应的密钥生成模型。 ҫࠛࣝCTS ᝠካܳ᤭ፒᝠ᧚
̗ၷࠛᨅKey_B
Wilson 等 [4] 在超宽带系统中利用丰富的多径无线
信道的信道脉冲响应来产生密钥；Tope 等 [5] 利用
ݠKey_A=Key_B
接收信号的包络特征生成两个用户之间相同的密 ᝍࠛCTSࣝ ԧ᤟ҫࠛ
ࣝDATA ݠ౧ࠛᨅˀ
钥；Lou 等 [6] 研究了水声环境下的基于接收信号强 ӜᦡὊ᧘ܭʽᤘ᣿ሮ
度的密钥生成技术；Lal 等 [7] 提出了一种基于水声
信道的密钥生成协议，并验证了协议的可行性。 图 2 密钥产生流程
本文提出利用水声信道多途的幅值和时延值 Fig. 2 Key generation flow chart
来生成加密密钥，通过数据加密标准 (Data en- 节点 B 先发送一个未加密帧，节点 A 收到此帧
cryption standard, DES) 算法对重要信息进行加 后，通过信息头得到水声信道的脉冲响应，从而产生
密；然后通过采用基于离散余弦变换 (Discrete co- k 长度的密钥 Key_A，然后利用此密钥加密公开信
sine transformation, DCT) 变换的信息隐藏技术对 息，将加密帧向节点 B 发送；同样，节点 B 接收到加
加密数据进行隐藏；最后，通过正交频分复用 (Or- 密帧后产生密钥 Key_B。如果 Key_A、Key_B 相
thogonal frequency division multiplexing, OFDM) 同，帧被成功解密；否则，节点 B 重新向节点 A 发送
水声高速通信技术进行数据传输。 未加密帧。如果经过N 次密钥产生过程都未能正确
匹配信道密钥，则采用预设的普通密钥。
1 信息加密技术
1.2.1 水声信道多途量化
1.1 信息帧结构 当估计水声信道时，先确定有效多途区分时间
信息帧结构包含三部分：信息头，帧序列号，数 间隔 (例如设置为 1 ms)，以此时间间隔长度提取线