一种基于石墨烯辅助太赫兹物理层的新型6G定向安全双向密钥交换方案

《Scientific Reports》：A novel 6G-oriented secure bidirectional key exchange scheme based on graphene-assisted terahertz physical layer

　　

摘要

本文提出了一种基于石墨烯的双向密钥交换协议，该协议将太赫兹（THz）物理层调制与Diffie–Hellman（DH）加密框架相结合，解决了在开放无线信道上建立安全会话时的关键问题。虽然以往基于石墨烯的天线、超表面和传感平台主要集中在提升电磁性能上，但在物理层实现安全双向密钥交换方面却鲜有研究。所提出的架构采用了一个工作在1 THz频率的双层石墨烯超表面，其可调表面导电性支持二进制相移键控（BPSK）调制以实现同时传输。认证后的公共参数、身份绑定和新鲜度值被嵌入到太赫兹波形中，通过DH计算生成共享密钥。在信噪比（SNR）为0–30 dB的范围内进行的仿真结果表明：在加性高斯白噪声（AWGN）环境下能够可靠地解调信号；石墨烯层间的电流密度分布保持相干性；通信双方能够达成一致的密钥。比特错误率（BER）在5–10 dB范围内显著降低，在10 dB时降至10^?3的水平，并且在SNR为15 dB及以上时趋于零，表明在实际噪声条件下参数能够可靠恢复。根据Dolev–Yao对抗模型进行的安全性分析以及对所定义安全要求的比较评估表明，该方案能够抵御被动和主动攻击。此外，对比评估显示，与现有方案相比，所提出的框架更全面地满足了各项安全要求。这些发现证明了基于石墨烯的安全密钥交换的可行性，并为基于石墨烯的太赫兹通信系统的安全部署奠定了基础，特别是在新兴的6G网络架构、物联网（IoT）和生物医学应用中。