CN102238116A - 导频序列生成方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导频序列生成方法及其系统，其中该方法包括：通信双方分别获取无线信道的信道特征；通信双方对信道特征的估计值进行实时映射生成随机导频序列。通过本发明，利用上行下行信道的互易性，合法通信双方可以得到具有一致性的信道特征，并利用无线通信系统的物理层信息的特性，生成了具有私密性和随机性的导频序列，而该过程不需要在无线信道中传输相关信息，提高了通讯安全。

Description

导频序列生成方法及其系统

技术领域

本发明涉及通讯领域，尤其涉及一种导频序列生成方法及其系统。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展以及向社会各领域的深入渗透，无线通信系统中由于无线信道的开放性，空中接口易受窃听、篡改、删除等类型的攻击，成为无线通信系统的薄弱环节。因此，需要针对无线信道的广播特性，设计更为有效的安全保障机制。

目前无线通信的接收检测方法通常采用信道状态信息辅助的相干接收，而信道状态获取方法通常有基于导频/或训练序列辅助的非盲估计方法与盲估计方法。盲估计方法无需导频或训练序列，依据信号的诸如循环平稳性等特性，采用高阶累积量方法、子空间方法等估计信道状态信息，频谱效率较高，但通常计算复杂度大，算法收敛时间长，难以跟踪时变信道，因而在实际系统中极少应用。导频辅助的非盲信道估计方法中，发送端在信息序列的适当位置上插入已知的导频符号，接收端从接收信号中提取出导频符号，采用线性或非线性估计方法计算导频位置的信道信息，然后通过内插、滤波等处理获得信息序列位置处的信道信息，实现相干检测。相对于盲估计方法，导频辅助的信道估计方法精度高、计算复杂度低，因而在实际系统中都采用导频辅助的信道估计方法。目前无线通信系统中，导频序列与导频图样根据通信协议是确定的，因此无论合法用户还是窃听用户均可以基于已知的导频序列来估计信道状态信息，从而实现接收信号的相干检测，这为非法用户的信息窃听与密钥破密留下隐患。例如3GPP在

3GPP 36.211协议中设定了导频符号的位置，导频序列r_l(m)也由下式确定：

$r_l\left(m\right)=\frac{1}{\sqrt{2}}(1-2\·c\left(2m\right))+j\frac{1}{\sqrt{2}}(1-2\·c(2m+1)),$ m＝0，1，......，

其中，l是一帧中OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用技术)符号的索引，c(n)是一个为随机序列。

由于导频序列与导频图样不随用户和信道的变化而变化，非法用户也可以根据已知的导频序列与图样估计信道状态信息，从而相干检测出合法用户或基站发送的信息序列，实现窃听的目的。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种导频序列生成方法及其系统，以实现导频序列仅对于合法用户是公开的，而窃听用户无法利用导频序列实现相干接收，从而大大降低窃听成功率，其中：

根据本发明实施例的导频序列生成方法包括：

通信双方分别获取无线信道的信道特征；通信双方对信道特征的估计值进行实时映射生成随机导频序列。

其中，通信双方预先配置相同的映射规则。

其中，通信双方对信道特征的估计值进行实时映射生成随机导频序列，包括：通信双方分别对信道特征的估计值进行实时随机化处理，生成相同的随机导频序列。

其中，该方法还包括：通信双方分别使用随机导频序列进行后续的信道估计。

其中，该方法还包括：通信双方分别使用所述随机导频序列进行信道估计后得到信道特征并将其用于相干检测

根据本发明实施例的导频序列生成系统包括：

信道特征获取模块，用于获取通信双方的无线信道的信道特征；随机导频序列生成模块，用于对通信双方的信道特征的估计值进行实时映射生成随机导频序列。

其中，该系统还包括：配置模块，用于为通信双方预先配置相同的映射规则。

其中，随机导频序列生成模块进一步用于随机处理，使通信双方生成相同的随机导频序列。

其中，该系统还包括：信道估计模块，用于通信双方分别使用随机导频序列进行后续的信道估计。

其中，该系统还包括：相干检测模块，用于通信双方分别使用所述随机导频序列进行信道估计后得到信道特征并将其用于相干检测。

与现有技术相比，根据本发明的技术方案，合法通信双方根据信道特征生成随机序列，并将此随机序列用于导频序列，实现了导频序列的随机性、私密性与互易性，增强了合法用户之间通信的安全性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例的导频序列生成方法的流程图；

图2是本发明实施例的导频序列生成方法的优选处理方案的流程图；

图3是根据本发明实施例的应用场景的示意图；

图4是根据本发明实施例的导频序列生成方法的仿真结果的示意图；

图5是根据本发明实施例的导频序列生成系统的结构框图；

图6是根据本发明实施例的导频序列生成系统的优选结构的框图。

具体实施方式

本发明的主要思想在于，利用无线信道的随机性、私密性、互易性等本质特性，对导频序列进行随机化操作，从而只有通过认证的合法用户才能够获知随机化导频，实现相干接收，增强了合法用户的通信安全性。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步地详细说明。

根据本发明的实施例，提供了一种导频序列生成方法。参考图1，图1是本发明实施例的导频序列生成方法的流程图，包括(步骤12-14)：

步骤12，通信双方分别获取无线信道的信道特征。在通信双方开始建立通信的时候，可以在身份认证和鉴权的过程中估计信道特征。

通信双方使用现有的信道估计方法分别得到上行信道特征H_AB和下行信道特征H_BA。在TDD(时分复用)通信系统中，通信的上行信道与下行信道是具有互易性的，则根据上行信道和下行信道的互易性有H_AB＝H_BA。由于当不同的用户之间的物理距离大于二分之一传输波长的时候，不同用户间的信道是相互独立的，所以每个用户的信道特征都是独一无二的，即上述得到的信道特征H_AB和H_BA具有“私密性”。

步骤14，通信双方对信道特征的估计值进行实时映射生成随机导频序列。通信双方在进行映射之前需要预先配置相同的映射规则，这样，通信双方就能够得到相同的随机导频序列。

具体地，首先通信双方分别对信道特征的估计值进行实时随机化处理，生成相同的随机导频序列。需要说明，本发明对具体的随机处理方法不进行限制，只要求通信双方使用相同的随机处理方法。

根据上述实施例，利用上行下行信道的互易性，合法通信双方可以得到具有一致性的信道特征，并利用无线通信系统的物理层信息的特性，生成了具有私密性和随机性的导频序列，而该过程不需要在无线信道中传输相关信息，提高了通讯安全。

下面参考图2继续描述本发明，图2是本发明实施例的导频序列生成方法的优选处理方案的流程图，如图2所示，包括：

步骤22，通信双方分别对无线信道的信道特征进行估计。

步骤24，通信双方分别对信道特征的估计值进行随机处理，生成相同的随机导频序列。

步骤26，通信双方分别使用随机导频序列进行后续的信道估计。

步骤28，通信双方分别使用随机导频序列进行信道估计后得到信道特征并将其用于相干检测。

重复上述步骤24-26，这样，就根据信道变化而实时产生变化的私密性的随机导频序列，使用这样的导频序列进行信道估计，避免了窃听者通过已知的导频序列估计信道信息从而成功检测发送的信息，提高了通讯安全。

下面结合图3对本发明作进一步的详细描述。

图3是根据本发明实施例的应用场景的示意图。如图3所示，网络中A、B为合法通信双方，E为窃听者。

本发明中具有私密性和随机性的导频序列的产生过程具体分为以下步骤：

步骤一：合法通信用户A与B通过传统信道估计方法分别得到上行和下行信道特征H_AB和H_BA，根据相干带宽与相干时间内的上、下行信道具有互易性，因此有H_AB＝H_BA；

步骤二：用户A与B对H_AB和H_BA进行同样的实时随机化处理，得到具有私密性和随机性的导频序列PN；

步骤三：上述产生的导频序列PN仅A、B已知，可用于导频辅助的信道估计，获得的信道状态信息用于后续的相干检测，而窃听者E由于无法估计A、B之间的信道信息，因而无法获知导频序列PN。重复步骤一及步骤二，实时产生根据信道变化而变化的具有私密性的随机导频序列。

当通信双方采用本发明的方案进行通信时，合法用户A与B之间是可以得到具有私密性和随机性的导频序列PN的，而当窃听者E与A、B相距不小于二分之一传输波长时，根据无线信道特征可知E不可能通过获得A、B之间的信道状态信息，因而无法获知导频序列且导频序列PN是随着信道的时变而改变的，即导频序列PN具有时变性，窃听者E只能随机猜测导频序列，更加增大了E估计PN的难度。当E无法获得导频序列信息时，只能利用盲估计方法来估计信道特征，这样窃听者E估计信道特征的时间复杂度及计算复杂度会大大增加，同时检测接收信号的成功率也大为下降，从而实现了增强合法通信双方A和B之间的通信安全。

对上文中的利用随机化后的信道特征作为导频序列进行仿真。仿真采用LS(Least Square，最小平方)信道估计方法，采用本发明方案产生导频序列，以用户A发送信息给用户B，E窃听为例，对比得出合法用户B与非法用户E分别得到信道特征估计值与真实信道特征的均方误差(Mean Square Error，简称MSE)与SNR(信噪比)的关系，仿真结果如图4所示，其中实线为合法接收端B所能得到的信道特征的MSE，虚线为E所能得到的信道特征的MSE。

仿真结果表明，在应用本发明的时，窃听者E通过随机猜测导频序列得到的信道特征估计值与真实信道特征的误差很大，即得不到H_AB，即窃听者E无法实现相干接收检测用户A与B之间的信息，从而用户A与B等效的可以利用信道特征来进行安全增强。

根据本发明的实施例，还提供了一种导频序列生成系统。

下面结合图5和图6进行描述。图5是根据本发明实施例的导频序列生成系统的结构框图，图6是根据本发明实施例的导频序列生成系统的优选结构的框图。

如图5所示，导频序列生成系统包括：信道特征估计模块10和随机导频序列生成模块20。信道特征估计模块10，用于估计通信双方的无线信道的信道特征。通信双方具有相同的信道特征。随机导频序列生成模块20与信道特征估计模块10连接，用于对通信双方的信道特征的估计值进行实时随机化处理生成随机导频序列。

如图6所示，在图5的基础上，导频序列生成系统还包括：配置模块30、信道估计模块40和相干检测模块50。

配置模块30与随机导频序列生成模块20连接，用于为通信双方预先配置相同的映射规则。信道估计模块40与随机导频序列生成模块20连接，用于通信双方分别使用随机导频序列进行后续的信道估计。相干检测模块50与信道特征获取模块10连接，用于通信双方分别使用随机导频序列进行信道估计得到信道特征并将其用于相干检测。

综上所述，合法通信双方根据信道特征生成随机序列(此随机序列仅由通信双方所知)，并将此随机序列用于导频序列，实现了导频序列的随机性、私密性与互易性，从而任意第三方无法利用此导频序列估计信道、无法实现相干接收，增强了合法用户之间通信的安全性。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种导频序列生成方法，其特征在于，包括：

通信双方分别获取无线信道的信道特征；

通信双方对所述信道特征的估计值进行实时映射生成随机导频序列。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通信双方预先配置相同的映射规则。

3.据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通信双方对所述信道特征的估计值进行实时映射生成随机导频序列，包括：

通信双方分别对所述信道特征的估计值进行实时随机化处理，生成相同的所述随机导频序列。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

通信双方分别使用所述随机导频序列进行后续的信道估计。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

通信双方分别使用所述随机导频序列进行信道估计后得到信道特征并将其用于相干检测。

6.一种导频序列生成系统，其特征在于，包括：

信道特征获取模块，用于获取通信双方的无线信道的信道特征；

随机导频序列生成模块，用于对通信双方的所述信道特征的估计值进行实时映射生成随机导频序列。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括：

配置模块，用于为通信双方预先配置相同的映射规则。

8.据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述随机导频序列生成模块进一步用于随机处理，使通信双方生成相同的所述随机导频序列。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括：

信道估计模块，用于通信双方分别使用所述随机导频序列进行后续的信道估计。

10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括：

相干检测模块，用于通信双方分别使用所述随机导频序列进行信道估计后得到信道特征并将其用于相干检测。

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