CN104301100A

CN104301100A - 一种无线信道特征综合信息融合方法

Info

Publication number: CN104301100A
Application number: CN201410557208.3A
Authority: CN
Inventors: 韦云川; 朱长明; 邵文静; 杨利民; 侯雄; 岑小锋; 邓志均; 杨玉堃
Original assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT
Current assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT
Priority date: 2014-10-20
Filing date: 2014-10-20
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2034-10-20
Also published as: CN104301100B

Abstract

一种无线信道特征综合信息融合方法，包括特征提取、信息熵计算、低熵淘汰、密钥协商、交错融合。特征提取用于从无线通信系统中获取到接收信号强度、相位和多普勒频移三类无线信道特征值。信息熵计算用于评估三类无线信道特征值的信息量。低熵淘汰用于将低于一定阈值的无线信道特征值删除，符合条件的进行密匙协商。密钥协商是将无线信道特征值生成对称密钥。交错融合用于将不同信道特征值生成的密钥进行交错排列，生成最终的密钥。本发明方法实现了将多种无线信道特征共同用于生成对称密钥的目的，提供了较高的密钥生成能力、密钥安全性和环境适应能力，有力的支撑了下一代对称密钥技术的发展。

Description

一种无线信道特征综合信息融合方法

技术领域

本发明属于通信领域，涉及一种通信信号的特征提取及融合应用方法。

背景技术

随着无线电通信技术的发展，对通信过程中的安全性要求越来越高。通过利用无线信道特征生成对称密钥，可以使通信双方在通信过程中实时生成并分发真随机的、具有高度安全性的密钥。这种方式可以用于导弹武器和在轨飞行器的无线通信数据链中，极大提高数据链的抗截获能力。

现有的利用无线信道特征生成对称密钥的方法，主要采用接收信号强度作为密钥来源，少数采用多普勒频移作为密钥来源。这些方法存在的不足之处有：在信道特征变化较缓慢的时候，采用单一的信道特征作为密钥来源会导致密钥生成速率过低、其随机性会较差，因而被敌方破解的可能性会提高，且单一的信道特征不能保证在所有环境条件下具备类似的适应能力和性能。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种无线信道特征综合信息融合方法，该方法解决了现有的利用无线信道单一特征生成对称密钥时导致的生成速率过低、随机性较差、环境适应能力弱的问题，实现了将多种无线信道特征共同用于生成对称密钥的目的，提供了较高的密钥生成能力、密钥安全性和环境适应能力，有力支撑了下一代对称密钥技术的发展。

本发明的技术解决方案是：一种无线信道特征综合信息融合方法，包括如下步骤：

(1)从无线通信系统中获取通信信号，分别计算得到通信信号的强度、相位和多普勒频移并采用二进制形式表示为R＝{r₁,r₂,…,r_x}、P＝{p₁,p₂,…,p_y}、D＝{d₁,d₂,…,d_z}，其中R、P和D分别表示强度、相位和多普勒频移，集合元素r₁,r₂,…,r_x、p₁,p₂,…,p_y、d₁,d₂,…,d_z均为二进制字符，x、y、z分别表示三个二进制数集合中二进制元素的个数；

(2)采用相同的方法分别计算二进制序列R、P和D的信息熵，用H(R)、H(P)和H(D)表示，计算信息熵的公式为H＝q(log₂q+1)/N，其中N为二进制序列的元素个数，q为将二进制序列切分成不重叠的片段的个数；

(3)将步骤(2)计算获得的H(R)、H(P)和H(D)分别与预先设定的信息熵阈值进行比较，如果H(R)、H(P)和H(D)均不大于或者仅有一个大于信息熵阈值，则返回步骤(1)；如果H(R)、H(P)和H(D)中有两个或者三个大于信息熵阈值，则转下一步；

(4)针对步骤(3)中筛选出来的不小于信息熵阈值的H(R)、H(P)和H(D)中的两个或者三个中的每一个对应的物理量，各自生成对称密钥；

(5)对步骤(4)得到的两种或者三种对称密匙进行融合，得到最终密匙；具体方法为，将每一种对称密匙的对应位分别抽取出来组成一个位片段，然后按照位数由小到大的顺序，将各个位片段组合起来得到最终密匙，最终密匙的位数等于各种对称密匙的个数的总和。

所述步骤(1)中信号强度的计算方法是：射频信号经过解调之后得到I、Q两路信号，根据两路信号的幅值A_I和A_Q计算强度值：相位的计算方法是，射频信号经过解调之后得到I、Q两路信号，根据两路信号的幅值A_I和A_Q计算相位值θ：

θ = \{\begin{matrix} \arctan \frac{A_{Q}}{A_{I}} & A_{I} > 0 \\ π + \arctan \frac{A_{Q}}{A_{I}} & A_{I} < 0 \\ \frac{π}{2} & A_{I} = 0, A_{Q} > 0 \\ - \frac{π}{2} & A_{I} = 0, A_{Q} < 0 \end{matrix};

多普勒频移的计算方法是：采用一般性地基于FFT的频谱分析法进行计算。

所述的信息熵阈值为0.1。所述的生成对称密钥的方法为CASCADE密钥协商协议或者WINNOW密钥协商协议。

所述的q的计算方法为：假设给定一个长为N的比特串其中x_i∈{0,1},1≤i≤N，给定一个内容为空的比特串数组T；

(21)中的第1个比特x₁为第1个片段，即B₁＝x₁；

(22)将中的第2个比特x₂放入比特串数组T中，即T＝x₂；

(23)判断T中的比特是否在第1个片段中出现，若未出现，T中的比特为第2个片段，即B₂＝x₂，而后T清空；若出现，将中的第3个比特x₃添加至T中，T＝x₂x₃，此时T中的比特为第2个片段，即B₂＝x₂x₃，而后T清空；

(24)按上述思路得出第k个片段中的比特，具体是：设第k-1个片段的最后一个比特为x_i-1，将中的第x_i个比特加入空的比特串数组T中，判断T＝x_i是否在前k-1个片段B₁B₂…B_k-1中出现，若未出现，当前T中的比特串为第k个片段，即B_k＝x_i，而后T清空；若出现，将中的第x_i+1个比特添加至T中，再进行判断，至自将第x_i+m个比特添加至T中后，T＝x_ix_i+1…x_i+m在前k-1个片段中出现，当前T中的比特为第k个片段，B_k＝x_ix_i+1…x_i+m，而后T清空；

(25)当中最后一个比特x_N添加至T后，T中的比特仍在前边片段中出现，亦将该T中的比特串视为最后一个片段；

(26)按上述方法将比特串分解为q个片段，即

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明方法实现了采用三类无线信道特征共同生成对称密钥，大大提高了密钥的生成速率；采用交错融合可以提高密钥的信息复杂度，从而提高密钥的随机性和安全性；采用三类无线信道特征反映了信道不同的物理属性，能适应更多的使用环境，因而提高了环境适应性。因此本发明方法实现了将多种无线信道特征共同用于生成对称密钥的目的，提供了较高的密钥生成能力、密钥安全性和环境适应能力，有力支撑了下一代对称密钥技术的发展。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的方法主要包括五个步骤，即特征提取、信息熵计算、低熵淘汰、密钥协商、交错融合。其中，特征提取用于从无线通信系统中获取到接收信号强度、相位和多普勒频移三类无线信道特征值；信息熵计算用于评估三类无线信道特征值的信息量；低熵淘汰用于将低于一定阈值的无线信道特征值删除，符合条件的进行下一个步骤；密钥协商是将无线信道特征值生成对称密钥；交错融合用于将不同信道特征值生成的密钥进行交错排列，生成最终的密钥。下面分别进行详细的说明。

特征提取是从无线通信系统中获取到用二进制表示的三类无线信道特征的数值，如接收信号强度、相位和多普勒频移，这三类无线信道特征分别用字母R、P和D表示，且R＝{r₁,r₂,…,r_x}、P＝{p₁,p₂,…,p_y}、D＝{d₁,d₂,…,d_z}，集合元素为二进制字符0、1。这里的x、y、z分别表示三个集合中二进制元素的个数。

信号强度的计算方法是：射频信号经过解调之后得到I、Q两路信号，根据两路信号的幅值A_I和A_Q计算强度值：

相位的计算方法是，射频信号经过解调之后得到I、Q两路信号，根据两路信号的幅值A_I和A_Q计算相位值θ：

θ = \{\begin{matrix} \arctan \frac{A_{Q}}{A_{I}} & A_{I} > 0 \\ π + \arctan \frac{A_{Q}}{A_{I}} & A_{I} < 0 \\ \frac{π}{2} & A_{I} = 0, A_{Q} > 0 \\ - \frac{π}{2} & A_{I} = 0, A_{Q} < 0 \end{matrix};

信息熵计算用于评估三类无线信道特征值的信息量，分别用H(R)、H(P)和H(D)表示，每一类信息量的计算方法相同，均采取下列步骤进行：

(1)给定一个长为N的比特串其中x_i∈{0,1},1≤i≤N，给定一个内容为空的比特串数组T；

(2)将该比特串切分成若干个不重叠的片段，具体为：

(21)中的第1个比特x₁为第1个片段，即

(22)将中的第2个比特x₂放入比特串数组T中，即

(23)判断T中的比特是否在第1个片段中出现，若未出现，T中的比特为第2个片段，即而后T清空；若出现，将中的第3个比特x₃添加至T中，T＝x₂x₃，显然，此时T中的比特不可能在第1个片段中出现，因而，T中的比特为第2个片段，B₂＝x₂x₃，而后T清空；

(24)按上述思路可以得出第k个片段中的比特，具体是：不妨设第k-1个片段的最后一个比特为x_i-1，将中的第x_i个比特加入空的比特串数组T中，判断是否在前k-1个片段B₁B₂…B_k-1中出现，若未出现，当前T中的比特串为第k个片段，即而后T清空；若出现，将中的第x_i+1个比特添加至T中，再进行判断，至自将第x_i+m个比特添加至T中后，T＝x_ix_i+1…x_i+m在前k-1个片段中出现，当前T中的比特为第k个片段，B_k＝x_ix_i+1…x_i+m，而后T清空；

(26)按上述方法可以将比特串分解为q个片段，即

(3)信息熵计算方法为H(X_N)＝q(log₂q+1)/N。

低熵淘汰将小于某一个阈值的三类无线信道特征信息量H(R)、H(P)和H(D)所对应的无线信道特征删除，符合条件的进行下一个步骤。根据信息熵的一般性规律，阈值可以设置为0.1，也就是说信息熵小于等于0.1时，该无线信道特征对生成密钥的贡献可以忽略不计。

密钥协商是采用现有的常规方法将低熵淘汰后进入本步骤的两种或三种无线信道特征分别生成对称密钥，如基于CASCADE、WINNOW等的密钥协商方法。

交错融合用于将不同信道特征生成的密钥进行交错排列，生成最终密钥。具体流程为：

(1)记X为无线信道特征，经过低熵淘汰后，不妨假设有N种(N取2或3两种情况)无线信道特征进入了交错融合步骤，且

X^{1} = {x_{1}^{1} x_{2}^{2} . . . x_{k_{1}}^{1}}, X^{2} = {x_{1}^{2} x_{2}^{2} . . . x_{k_{2}}^{2}}, . . ., X^{N} = {x_{1}^{N} x_{2}^{N} . . . x_{k_{N}}^{N}}, 2 < k_{1} \leq k_{2} \leq . . . \leq K_{N},

均表示对称密匙的个数；

(2)定义最终密钥为K；

(3)融合算法：依次从无线信道特征X¹、X²至X^N中取第1位作为K的第1段，从无线信道特征X¹、X²至X^N中取第2位作为K的第2段，同理，只要Xⁱ,i∈{1,2,…,N}中的第j位不为空，就取出作为K的第j段中的元素，若Xⁱ中的第j位为空，就跳过Xⁱ，从Xⁱ⁺¹的第j位取。也即，对于同一位，把各密匙中的对应位，如有有就放在一起作为一个片段；

(4)最终密钥K可表示为且长度为k₁+k₂+…+k_N。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims

1.一种无线信道特征综合信息融合方法，其特征在于包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种无线信道特征综合信息融合方法，其特征在于：所述步骤(1)中信号强度的计算方法是：射频信号经过解调之后得到I、Q两路信号，根据两路信号的幅值A_I和A_Q计算强度值：相位的计算方法是，射频信号经过解调之后得到I、Q两路信号，根据两路信号的幅值A_I和A_Q计算相位值θ：

θ = \{\begin{matrix} \arctan \frac{A_{Q}}{A_{I}} & A_{I} > 0 \\ π + \arctan \frac{A_{Q}}{A_{I}} & A_{I} < 0 \\ \frac{π}{2} & A_{I} = 0, A_{Q} > 0 \\ - \frac{π}{2} & A_{I} = 0, A_{Q} < 0 \end{matrix};

3.根据权利要求1或2所述的一种无线信道特征综合信息融合方法，其特征在于：所述的信息熵阈值为0.1。

4.根据权利要求1或2所述的一种无线信道特征综合信息融合方法，其特征在于：所述的生成对称密钥的方法为CASCADE密钥协商协议或者WINNOW密钥协商协议。

5.根据权利要求1或2所述的一种无线信道特征综合信息融合方法，其特征在于：所述的q的计算方法为：假设给定一个长为N的比特串其中x_i∈{0,1},1≤i≤N，给定一个内容为空的比特串数组T；

(21)中的第1个比特x₁为第1个片段，即B₁＝x₁；

(22)将中的第2个比特x₂放入比特串数组T中，即T＝x₂；

(26)按上述方法将比特串分解为q个片段，即