CN108718234A - 无线通信基于角度可调相位保护带的密钥生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于无线物理层领域的相位保护带密钥生成方法，该方案可以自动调节相位保护带角度的大小。相位保护带的角度可调节特征体现在当信道冲激响应估计值的模较小时，相位保护带较大，以避免因模值较小时信道易受噪声的干扰的问题；而当估计值逐渐增大时，由于信道抗噪声性能增强，相位保护带相应变小，以避免因相位保护带的存在而造成相位信息的损失。本发明可在较小的相位信息损失条件下，达到较高的密钥一致性；且在密钥一致性率固定的条件下，可以获取更长的密钥长度和更大的密钥容量。

Description

无线通信基于角度可调相位保护带的密钥生成方法
技术领域
本发明涉及无线通信中的物理层安全技术领域，具体涉及一种无线通信基于角度可调相位保护带的密钥生成方法，利用无线通信TDD模式下上下行信道的互易性，提取信道估计中的相位信息并引入角度可调节相位保护带，生成密钥以达到安全通信的目的。
背景技术
物理层安全作为上层安全的补充，是基于信息理论的安全，它的本质是无条件的保密要求，即窃听方窃取了加密的密码后不能获取任何保密信息。
物理层安全的一个关键技术是密钥机制,利用无线信道特征生成密钥已经成为目前研究的热点。根据常见的信道特征，密钥生成方法主要有基于幅值信息和基于相位信息两类。由于信道的相位系数通常服从均匀分布，而幅值的测量或估计并不是均匀分布，所以基于相位的密钥生成方法相比幅值方法会有更大的保密熵，即密钥随机性更好。
目前，基于相位的密钥生成方法或未采用相位保护带方案，或采用固定角度的相位保护带方案，这些方案引入了较多不可靠的相位信息，从而会降低密钥的一致率，同时造成更多的相位信息损失。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种无线通信基于角度可调相位保护带的密钥生成方法，从信道冲激响应估计值中提取出幅度信息和相位信息，并依据这些信息删除不可靠的数据点，以实现密钥一致性的增强。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种无线通信基于角度可调相位保护带的密钥生成方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤S1，信道估计：通信双方对接收到的信号进行计算，得到信道冲激响应估计值；
步骤S2，密钥协商：通信双方以信道冲激响应估计值作为初始密钥向量对，并经过以下三个步骤生成最终的密钥：
(1)对得到的信道冲激响应估计值进行幅值归一化处理；
(2)选取幅度阈值，对初始密钥向量对中每对数据点进行判断，当数据点的幅值小于等于幅度阈值时，从初始密钥向量对中舍弃这些数据点；
(3)定义相位保护带区域和量化区域，依据每对数据点的幅值和相位信息确定该数据点落入哪一个区域，若是落入相位保护带区域则舍弃这些数据点，若是落入量化区域，则对数据点进行量化生成最终的密钥；
步骤S3，密钥验证：比较通信双方生成的最终密钥对，只有当密钥对中每对数据点落入同一量化区域，则判断是一致密钥对；否则，判为不一致密钥对。
进一步的，步骤S1中，对接收到的信号采用最小二乘法对信道频率响应进行估计，再进行IDFT，得到信道冲激响应估计值。
进一步的，归一化处理采用min-max标准化方法。
进一步的，量化区域的定义为：首先根据量化级数M将单位圆M等分，每一部分再作角度平分线，以角平分线与半径为幅度阈值的圆的交点为顶点，分别向两侧张开角度，与单位圆分别交于两点，该区域即为量化区域；
相位保护带区域为相位区域中除去量化区域后的区域，相位区域，即单位圆内去除以幅度阈值为半径的圆的区域。
进一步的，假设R为一冲激响应估计值的幅值，θ为幅值为R时的量化临界角度，当相位值小于θ时，则落入量化区域，当相位值大于θ时，则落入相位保护带区域；
对于量化级数为M，幅值为R的冲激响应估计值，能够落入量化区域的相位取值范围为(不同的k代表不同的量化区域)。
进一步的，当信道冲激响应估计值的模较小时，相位保护带较大；而当估计值逐渐增大时，相位保护带相应变小。
进一步的，根据密钥向量对中每个数据点落入的量化区域，采用格雷码编码进行量化，得到最终的密钥。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：利用通信双方共享信道的时变性、互易性及唯一性，在不断轮流发送训练信号的过程中进行多径信息测量，得到信道冲激响应估计值。从信道冲激响应估计值中提取出幅度信息和相位信息，并从这两个方面入手，进行密钥一致性的校正。当通信一方得到的数据点落入保护带时，删去这个数据点及另一方对应的数据点以实现密钥一致性的增强。本发明可在较小的相位信息损失条件下，达到较高的密钥一致性；且在密钥一致性性能相近的情况下，可以获取更长的密钥长度和更大的密钥容量。
附图说明
图1为本发明密钥生成方法的流程；
图2为瑞利多径衰落系统模型；
图3为角度可调节的相位保护带原理图；
图4为本方案、固定角度方案及初始数据的一致性曲线对比图；
图5为平均密钥长度曲线对比图；
图6为平均密钥容量曲线对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
无线通信采用现有的基于时分双工(TDD)的系统模型，信道模型采用瑞利多径衰落信道，参见图2所示，瑞利多径衰落信道，合法通信双方Alice和Bob发送的信号经过反射折射散射等多条路径传播到达对方，Eve为窃听方，在合法通信双方通信时，试图窃取他们的通信信息。参数设置如下表所示：
表1：通信参数
基于以上无线通信环境，本发明的一种无线通信基于角度可调相位保护带的密钥生成方法，流程如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1，信道估计：通信双方对接收到的信号，采用最小二乘法对信道频率响应进行估计，再进行IDFT，得到信道冲激响应估计值
在TDD协议下，合法通信方Alice和Bob轮流发送训练序列进行信道估计，这里的训练序列采用未经调制的余弦序列。由于Alice和Bob采用同一频率的发射信号，所以Alice到Bob的信道和Bob到Alice的信到具有短时互易性。
在时隙1，Alice向Bob发送训练信号x(t)，信道记为下行信道，Bob端接收到的信号为：
yB(t)＝hAB*x(t)+nB
其中hAB为Alice端到Bob端的信道冲激响应，nB为Bob端加性复高斯随机噪声。
Bob接收到信号后，在时隙2，同样向Alice发送训练信号x(t)，信道记为上行信道，Alice端接收到的信号为：
yA(t)＝hBA*x(t)+nA
其中hBA为Bob端到Alice端的信道冲激响应，nA为Alice端加性复高斯随机噪声。
由于上下行信道具有短时互易性，所以相邻两个时隙的信道冲激响应近似相等，即hAB≈hBA＝h。h可以表示如下：
其中，N表示瑞利信道的路径数，αl表示第l条路径的衰落系数，τl表示第l条路径的时延，fd＝vfc/c表示多普勒频移，v，fc，c分别表示Alice端和Bob端的相对运动速度，载波频率和光速。这里的h(t，τ)是一个连续值，表示t时刻的信道冲激响应，而估计的信道冲激响应值实际上是对h(t，τ)的采样。
而Eve与Alice、Bob之间相距大于λ/2(此是信道的特征)，由无线信道的空间唯一性可知，Eve和Alice、Bob之间的信道状态信息(CSI)是不相关的，则hAE≠hBE≠h。可以通过安全密钥协议来达到安全通信。
Alice和Bob接收到对方发送的信号后，采用最小二乘(LS)法对信道频率响应(CFR)估计，再对其进行IDFT(Inverse Discrete Fourier Transform，离散傅里叶逆变换)，最终得出信道冲激响应估计值如下：
n＝0，1，...N-1(N为DFT点数)，h(n)是根据理想信道测量的结果计算得出的响应。其中EB(n)和EA(n)分别为Alice端和Bob端的估计误差，这是由于训练信号在信道传输过程中，受到噪声和信道变化的影响，导致冲激响应估计的偏移。
步骤S2，密钥协商：通信方Alice和Bob得到初始密钥向量对 和后。合法通信方Alice和Bob根据以下三个步骤生成最终的密钥：
已知通过可以获得信道冲激响应的幅值信息和相位信息，其中hr、hi分别为信道冲激响应估计值的实部、虚部。从信道冲激响应估计值中提取出幅度信息和相位信息，并从这两个方面入手，进行密钥协商以及一致性的校正。
(1)对得到的CIR(信道冲激响应)估计值进行幅值归一化处理，记为|h*|。
采用min-max标准化方法，将所有的信道冲激响应数据点(也是初始密钥向量对中的一个元素)映射到单位圆内。转换函数如下：
(2)设置适当的幅度阈值GR。当|h*|＜＝GR时，由于|h*|很小，容易受到噪声和信道变化的影响，造成估计值的不准确，故舍弃这些数据点和对应的另一方的数据点。所以只有当|h*|＞GR才将其作为最终生成密钥的候选者。该幅度阈值GR的选值可经过多次仿真比较得出，既不会损失太多的幅值信息也能够丢弃较多不可靠的数据点。
(3)根据设计的相位保护带方案和量化级数M，依据上一步得到的和各数据点的幅值和相位信息确定该数据点落入哪一个区域，若是落入相位保护带区域则舍弃这些数据点和对应的另一方的数据点，若是落入量化区域，则进行量化生成最终的密钥。
首先说明本发明的量化区域和相位保护带区域的定义。以量化级数M＝4为例进行说明，参见附图3。图中R为一冲激响应估计值的幅值，θ为幅值为R时的量化临界角度，即当相位值小于θ时，落入量化区域，当相位值大于θ时，落入相位保护带区域(图中Gφ张成的区域)；Ai为第i个相位区域，即单位圆内去除以GR为半径的圆的区域；ai(阴影部分)为第i个量化区域，落入此区域内的点才最终进行量化生成密钥。
量化区域是这样定义的：首先根据量化级数M将单位圆M等分，每一部分再作角度平分线，以角平分线与半径为GR的圆的交点为顶点，分别向两侧张开角度，与单位圆分别交于两点，该区域即为量化区域。在附图3中，量化级数M＝4，故张开的角度
接下来用数学表达式来表示量化区域。在附图3中，对于幅值为R的冲激响应估计值，能够落入量化区域的相位取值范围为下面计算θ的表达式，由说明书附图3右图可知，在△OAB中，GR·sin(φ)＝R·sin(Gφ)，其中φ＝θ+Gφ＝π/M，可求得所以当M＝4时，对幅值为R的冲激响应估计值，能够落入量化区域的完整相位取值范围为推广到一般情况，对于量化级数为M，幅值为R的冲激响应估计值，能够落入量化区域的相位取值范围为(不同的k代表不同的量化区域)。量化区域始终是从第三象限逆时针转向第二象限的。当M＝4时，k的值依次为-2，-1，0，1。而此时的对应的i应该为0，1，2，3。k和i是一一对应的关系。
相位保护带的角度可调节特征体现在当信道冲激响应估计值的模较小时，相位保护带Gφ较大，以避免因模值较小时信道易受噪声的干扰的问题；而当逐渐增大时，由于信道抗噪声性能增强，故Gφ相应变小，以避免因相位保护带的存在而造成相位信息的损失。
当落入保护带Ai-ai时，将该数据点及对应的另一方数据点舍弃。最终保留下来的密钥对(也是落入量化区域中的数据点)记为PAB＝[p1，p2，...pl]和QAB＝[q1，q2，...ql]，l为生成密钥符号数。
根据得出的PAB和QBA中每个数据点落入的量化区域，即根据上述的k值，从小到大依次转为i＝0，1，2，3，……M-1，采用格雷码编码(即量化)，得到最终的量化比特(即最终的密钥)。
步骤S3，密钥验证：Alice端和Bob端生成密钥对后，只有当这些密钥对中每对数据点落入同一量化区域，才可将其算作一对一致密钥对；否则，判为不一致密钥对。
量化区域由量化级数决定，例如M＝4，则有4个量化区域，M＝8，则有8个量化区域。通信双方互相发送信号，同一时隙的数据，Alice端可能落入x量化区域，Bob端可能落入到y量化区域。当双方对应的一个信号冲激响应估计值落入同一量化区域，即为一致。
通过比较本发明提出的角度可调方案与固定角度的相位保护带方案，就密钥一致性、平均密钥长度、密钥容量等性能进行分析。
附图4为密钥一致性曲线对比图。由图可知，在低信噪比情况下，相比初始密钥，相位保护带方案对性能提升并不明显，这是因为低信噪比时，信号受噪声的影响相当大；当信噪比在15dB～35dB区间段时，此类方案可以提高生成密钥的一致性，且增长较快；当信噪比大于40dB时，此类方案的密钥一致率逐渐趋向于1。对比固定角度的相位保护带方案，角度可调方案密钥一致性更高，这是因为相比于前者，后者引入了更少的不可靠估计点。
附图5为平均密钥长度曲线对比图。由图可知，对比两种方案，在相同量化级数M的情况下，角度可调相位保护带方案的平均密钥长度都要大于固定角度方案的平均密钥长度，这说明相比于固定角度方案，本发明可以以较小的相位损失来获取更长的密钥长度；随着M的增加，两种方案密钥长度之差有增大的趋势。
附图6为平均密钥容量曲线对比图。由图可知，在低信噪比时，基于相位保护带的方案的密钥容量都比较低；随着信噪比的提高，平均密钥容量相应提高，最终趋于一个稳定值；随着量化级数M的增加，这个稳定值也会变大。对比固定角度方案，在同样的条件下，角度可调方案可以获得更大的密钥容量。
综上所述，本发明提出的基于角度可调的相位保护带方案具有更优的性能特征，是对当前相位保护带方案的一种改进。
本发明利用通信双方共享信道的时变性、互易性及唯一性，在不断轮流发送训练信号的过程中进行多径信息测量，得到信道冲激响应估计值。从信道冲激响应估计值中提取出幅度信息和相位信息，并从这两个方面入手，进行密钥一致性的校正。当通信一方得到的数据点落入保护带时，删去这个数据点及另一方对应的数据点以实现密钥一致性的增强。本发明可在较小的相位信息损失条件下，达到较高的密钥一致性；且在密钥一致性性能相近的情况下，可以获取更长的密钥长度和更大的密钥容量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.无线通信基于角度可调相位保护带的密钥生成方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤S1，信道估计：通信双方对接收到的信号进行计算，得到信道冲激响应估计值；
步骤S2，密钥协商：通信双方以信道冲激响应估计值作为初始密钥向量对，并经过以下三个步骤生成最终的密钥：
(1)对得到的信道冲激响应估计值进行幅值归一化处理；
(2)选取幅度阈值，对初始密钥向量对中每对数据点进行判断，当数据点的幅值小于等于幅度阈值时，从初始密钥向量对中舍弃这些数据点；
(3)定义相位保护带区域和量化区域，依据每对数据点的幅值和相位信息确定该数据点落入哪一个区域，若是落入相位保护带区域则舍弃这些数据点，若是落入量化区域，则对数据点进行量化生成最终的密钥；
步骤S3，密钥验证：比较通信双方生成的最终密钥对，只有当密钥对中每对数据点落入同一量化区域，则判断是一致密钥对；否则，判为不一致密钥对。
2.根据权利要求1所述的无线通信基于角度可调相位保护带的密钥生成方法，其特征是，步骤S1中，对接收到的信号采用最小二乘法对信道频率响应进行估计，再进行IDFT，得到信道冲激响应估计值。
3.根据权利要求1所述的无线通信基于角度可调相位保护带的密钥生成方法，其特征是，归一化处理采用min-max标准化方法。
4.根据权利要求1所述的无线通信基于角度可调相位保护带的密钥生成方法，其特征是，量化区域的定义为：首先根据量化级数M将单位圆M等分，每一部分再作角度平分线，以角平分线与半径为幅度阈值的圆的交点为顶点，分别向两侧张开角度，与单位圆分别交于两点，该区域即为量化区域；
相位保护带区域为相位区域中除去量化区域后的区域，相位区域，即单位圆内去除以幅度阈值为半径的圆的区域。
5.根据权利要求1所述的无线通信基于角度可调相位保护带的密钥生成方法，其特征是，假设R为一冲激响应估计值的幅值，θ为幅值为R时的量化临界角度，当相位值小于θ时，则落入量化区域，当相位值大于θ时，则落入相位保护带区域；
对于量化级数为M，幅值为R的冲激响应估计值，能够落入量化区域的相位取值范围为(不同的k代表不同的量化区域)。
6.根据权利要求1所述的无线通信基于角度可调相位保护带的密钥生成方法，其特征是，当信道冲激响应估计值的模较小时，相位保护带较大；而当估计值逐渐增大时，相位保护带相应变小。
7.根据权利要求1所述的无线通信基于角度可调相位保护带的密钥生成方法，其特征是，根据密钥向量对中每个数据点落入的量化区域，采用格雷码编码进行量化，得到最终的密钥。
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