CN109618336A - 一种频分双工***中的密钥提取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种频分双工***中的密钥提取方法，包括以下步骤：(1)通信双方中的上行方向通信双方中的下行方发送导频信号；(2)下行方根据接收的导频信号进行信道估计，得到即时角度和角度功率谱密度，并根据即时角度和角度功率谱密度计算出上行信道的协方差矩阵后发送至上行方，再根据上行信道的协方差矩阵推导出下行信道协方差矩阵；(3)上行方将上行信道的协方差矩阵的非零特征值构成的向量量化成密钥比特，下行方将下行信道协方差矩阵的非零特征值构成的向量量化成密钥比特；(4)上行方和下行方分别对量化后的密钥比特进行信息调和以及隐私放大，获得一致密钥。本发明安全有效。

Description

一种频分双工***中的密钥提取方法
技术领域
本发明涉及无线通信及信息加密领域，尤其涉及一种频分双工***中基于上下行协方差矩阵构造信道互易性的密钥提取方法。
背景技术
无线信道的互易性可以作为天然的随机源，用于基于无线信道特征值提取的对称密钥生成。无线信道密钥生成指的是合法通信用户双方，通过发送和接收训练序列，得到随机无线信道，利用两者之间共同的信道特征产生密钥，从而避免了因密钥传输而可能带来的信息泄露。此外，当非法窃听者和合法通信用户之间的距离超过1/2波长时，窃听者观测到的信道特征与合法接收者之间观测到的信道特征可视为不相关的，具备极高的安全性。由于合法通信双方各自独立产生的密钥需要具有一致性，因此需要互易的信道参数。
在时分双工(TDD)***中，当双工时间间隔远小于信道相干时间时，无线上下行信道系数具备固有的高度互易性。然而，在频分双工(FDD)***中，上下行使用不同的传输频率进行数据发送和接收。两个频带之间设置了频率间隔以防止上下行信道产生信道间干扰，而这一频率间隔一般远大于信道的相干带宽，因此上下行信道的特征存在很大的差异。由于频分双工(FDD)的信道特征不具备较高的互易性，会导致提取得到的密钥误码率较高，所以无线信道密钥生成难以适用于频分双工(FDD)***。
现有技术存在一种利用回传的方法构建互易的复合信道参数方法来获得随机性、一致性高的密钥，但是这些方法存在信息泄露的风险。如果窃听者截取到了合法接收者之间回传协议中的全部信息，就有很大概率能够推测出合法接收者产生的密钥。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种频分双工***中的密钥提取方法，安全有效。
技术方案：本发明所述的频分双工***中的密钥提取方法包括以下步骤：
(1)通信双方中的上行方向通信双方中的下行方发送导频信号；
(2)下行方根据接收的导频信号进行信道估计，得到即时角度和角度功率谱密度，并根据即时角度和角度功率谱密度计算出上行信道的协方差矩阵后发送至上行方，再根据上行信道的协方差矩阵推导出下行信道协方差矩阵；
(3)上行方将上行信道的协方差矩阵的非零特征值构成的向量量化成密钥比特，下行方将下行信道协方差矩阵的非零特征值构成的向量量化成密钥比特；
(4)上行方和下行方分别对量化后的密钥比特进行信息调和以及隐私放大，获得一致密钥。
进一步的，步骤(2)中所述根据即时角度和角度功率谱密度计算出上行信道的协方差矩阵，具体采用的计算公式为：
式中，为上行信道的协方差矩阵，为上行信道路径角度的角度域范围，为角度功率谱密度，为角度θ上的阵列响应向量，为即时角度，fUL、fDL分别为上行、下行信道频率，d为天线间距，λ为载波波长，f0为载波中心频率，M为下行方天线数量。
进一步的，步骤(2)中根据上行信道的协方差矩阵推导出下行信道协方差矩阵，所采用的计算公式为：
式中，为上、下行信道的协方差矩阵，为即时角度，为频率转移对角矩阵，fUL、fDL分别为上行、下行信道频率，d为天线间距，λ为载波波长，f0为载波中心频率，M为下行方天线数量。
进一步的，若下行方接收天线为均匀圆形阵列，则还通过正则化最小均方误差对上行信道的空间特征向量进行重新估计。
进一步的，步骤(3)中，量化密钥的方法为：采用2n个量化级别将协方差矩阵的非零特征构成的向量进行均匀量化，然后将量化后得到的十进制数值转化成二进制比特，其中，n＝M位，M为下行方天线数量。
进一步的，步骤(4)中，所述信息调和采用LDPC编码，具体实施方法为：通信双方分别将量化得到的比特流按照指定顺序重新排列后分块，分块后上行方将自己的重组比特流和其奇偶校验发送给下行方，下行方接收到校验信息之后和自己的进行比对，对于重组比特流中不匹配的位进行纠正。
进一步的，步骤(4)中，所述隐私放大采用哈希函数，具体实施方法为：上行方向下行方发送哈希函数的数量，然后通信双方对各自的经过信息调和后的比特流进行哈希函数运算。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：
1、本发明提供了一种频分双工***中基于上下行协方差矩阵构造信道互易性的密钥提取方案，相比于现有技术，从无线信道二阶统计量的新角度实现一种安全高效的FDD***密钥生成方法，填补了这一领域的技术空白。依据频分双工***中上下行信道的传播路径基本相同的原理，利用上下行信道的即时参数在角度域的等价关系和上下行信道角度功率谱的高度相似相关性，计算得到上行信道的协方差矩阵，并通过频率转移对角矩阵推导得到下行信道的协方差矩阵，并将上下行信道协方差矩阵所具有的互易性量化成密钥比特流，通过信息调和和隐私放大，有效地得到了具有高随机性和一致性的密钥。
2、本发明在构建信道互易性特征值的过程中通信双方并无泄露任何信息，窃听者无法获得相同的信道系数。因此，在本发明基础上将该互易的信道特征值转化为密钥的无线信道密钥生成方案具备高度安全性。
3、本发明提出的频分双工***中基于上下行协方差矩阵构造信道互易性的密钥提取方案，适用于宽带和多天线频分双工***。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的流程示意图。
具体实施方式
本实施例公开了一种频分双工***中的密钥提取方法，如图1所示，包括以下步骤：
(1)通信双方中的上行方向通信双方中的下行方发送导频信号。
其中，通信双方中的上行方可以是移动电话等设备，下行方可以是基站等设备。
(2)下行方根据接收的导频信号进行信道估计，得到即时角度和角度功率谱密度，并根据即时角度和角度功率谱密度计算出上行信道的协方差矩阵后发送至上行方，再根据上行信道的协方差矩阵推导出下行信道协方差矩阵。
其中，根据即时角度和角度功率谱密度计算上行信道的协方差矩阵，具体采用的计算公式为：
根据上行信道的协方差矩阵推导下行信道协方差矩阵，所采用的计算公式为：
式中，分别为上、下行信道的协方差矩阵，为上行信道路径角度的角度域范围，为角度功率谱密度，为角度θ上的阵列响应向量，fUL、fDL分别为上行、下行信道频率，d为天线间距，λ为载波波长，f0为载波中心频率，M为下行方天线数量，为即时角度，表示到达角/离开角，分别以通信双方为观测角度，并且同一条传播路径上的到达角和离开角相等。
若下行方接收天线为均匀圆形阵列，则还通过正则化最小均方误差对上行信道的空间特征向量进行重新估计。引入正则化系数γ＞0，得到
式中，分别为第i个用户和第j个基站之间的下行和上行信道的协方差矩阵估计，是和在第i个用户和第j个基站之间的第l条路径上的具体表达式,λUL、λDL分别为上、下行信道的载波波长，a(θijl,λDL)为下行信道空间特征向量，T为上下行信道之间的频率转移矩阵，Qij为信号强度最大的到达角路径数量，a′(θijl,λUL)＝a(θijl,λUL)+e＝αijls(θijl,λUL)+e，e是描述上下行信道空间特征向量不匹配效应的未知复数向量，θijl是达到下行方的角度，αijl是衰落增益，s(θijl,λUL)是阵列响应。不同于均匀线性阵列的频率转移矩阵，均匀圆形阵列需要求解最优化的频率转移矩阵T。定义：
AUL＝[a(θij1,λUL),a(θij2,λUL),…,α(θijP,λUL)]∈CM×P
ADL＝[a(θij1,λDL),a(θij2,λDL),…,a(θijP,λDL)]∈CM×P
E＝[e(θij1),e(θij2),…,e(θijP)]∈CM×P
AUL、ADL、E分别为上行、下行信道真实的空间特征向量和上行信道空间特征向量的扰动。频率转移矩阵的最优化是通过求解T使得对于最大可能的不确定性E，矩阵T(AUL+E)和ADL之间差值的Frobenius范数最小化，其中E的Frobenius范数由正则化系数γ限定，即‖E‖≤γ。寻求频率转移矩阵T的最优解的数学问题可以表示成如下形式：服从‖E‖≤γ。
(3)上行方将上行信道的协方差矩阵的非零特征值构成的向量量化成密钥比特，下行方将下行信道协方差矩阵的非零特征值构成的向量量化成密钥比特。
其中，由和的对角矩阵特性可知，上下行信道协方差矩阵的特征值因此可以得到由非零特征值构成的对称密钥 和k＝1,…,K为经过K个散射物簇的观测路径数目(假设每条观测路径经过一个散射物簇)。
再将对称密钥量化，量化密钥的方法为：采用2n个量化级别将进行均匀量化，即：
式中，Q()为均匀量化函数，n＝M位；
然后将量化后得到的十进制数值转化成二进制比特
(4)上行方和下行方分别对量化后的密钥比特进行信息调和以及隐私放大，获得一致密钥。
其中，所述信息调和采用LDPC编码，具体实施方法为：通信双方分别将量化得到的比特流按照指定顺序重新排列后分块，分块后上行方将自己的重组比特流和其奇偶校验σUL发送给下行方，下行方接收到校验信息和σUL之后和自己的进行比对，对于重组比特流中不匹配的位进行纠正，经过纠正后的比特流为对应上行方的比特流为
其中，所述隐私放大采用哈希函数，具体实施方法为：上行方向下行方发送哈希函数的数量mUL，mUL＝mDL，然后通信双方对各自的经过信息调和后的比特流和进行哈希函数运算
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种频分双工***中的密钥提取方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)通信双方中的上行方向通信双方中的下行方发送导频信号；
(2)下行方根据接收的导频信号进行信道估计，得到即时角度和角度功率谱密度，并根据即时角度和角度功率谱密度计算出上行信道的协方差矩阵后发送至上行方，再根据上行信道的协方差矩阵推导出下行信道协方差矩阵；
(3)上行方将上行信道的协方差矩阵的非零特征值构成的向量量化成密钥比特，下行方将下行信道协方差矩阵的非零特征值构成的向量量化成密钥比特；
(4)上行方和下行方分别对量化后的密钥比特进行信息调和以及隐私放大，获得一致密钥。
2.根据权利要求1所述的频分双工***中的密钥提取方法，其特征在于：步骤(2)中所述根据即时角度和角度功率谱密度计算出上行信道的协方差矩阵，具体采用的计算公式为：
式中，为上行信道的协方差矩阵，为上行信道路径角度的角度域范围，为角度功率谱密度，为角度θ上的阵列响应向量，为即时角度，fUL、fDL分别为上行、下行信道频率，d为天线间距，λ为载波波长，f0为载波中心频率，M为下行方天线数量。
3.根据权利要求1所述的频分双工***中的密钥提取方法，其特征在于：步骤(2)中根据上行信道的协方差矩阵推导出下行信道协方差矩阵，所采用的计算公式为：
式中，为上、下行信道的协方差矩阵，为即时角度，为频率转移对角矩阵，fUL、fDL分别为上行、下行信道频率，d为天线间距，λ为载波波长，f0为载波中心频率，M为下行方天线数量。
4.根据权利要求1所述的频分双工***中的密钥提取方法，其特征在于：若下行方接收天线为均匀圆形阵列，则还通过正则化最小均方误差对上行信道的空间特征向量进行重新估计。
5.根据权利要求1所述的频分双工***中的密钥提取方法，其特征在于：步骤(3)中，量化密钥的方法为：采用2n个量化级别将协方差矩阵的非零特征构成的向量进行均匀量化，然后将量化后得到的十进制数值转化成二进制比特，其中，n＝M位，M为下行方天线数量。
6.根据权利要求1所述的频分双工***中的密钥提取方法，其特征在于：步骤(4)中，所述信息调和采用LDPC编码，具体实施方法为：通信双方分别将量化得到的比特流按照指定顺序重新排列后分块，分块后上行方将自己的重组比特流和其奇偶校验发送给下行方，下行方接收到校验信息之后和自己的进行比对，对于重组比特流中不匹配的位进行纠正。
7.根据权利要求1所述的频分双工***中的密钥提取方法，其特征在于：步骤(4)中，所述隐私放大采用哈希函数，具体实施方法为：上行方向下行方发送哈希函数的数量，然后通信双方对各自的经过信息调和后的比特流进行哈希函数运算。
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