CN105282739A - 一种基于物理层导频预调的点对点密钥协商方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于物理层导频预调的点对点密钥协商方法，包括：移动台向基站发射标准导频信号，基站通过标准导频信号估计和量化上行链路的复信道系数得到所需的基站端密钥；基站计算导频预调复系数，使得此导频预调复系数与上行链路复信道系数相乘之后的等效复信道系数处于复信道系数量化判决域的中心位置；基站发射用导频预调复系数乘以标准导频后得到的导频，移动台通过标准导频信号估计和量化下行链路的等效复信道系数得到所需的移动台端密钥。本发明依据物理层导频预调一次完成密钥生成、协商和分发的全过程，具有生成密钥一致率高，抗窃听性能好，实现难度及成本低的优点。

Description

一种基于物理层导频预调的点对点密钥协商方法
技术领域
本发明涉及无线通信系统的保密通信领域，特别是涉及通过物理层导频预调来实现通信双方的密钥生成、协商和分发。
背景技术
随着现代通信技术的迅猛发展，无线通信因其便捷性逐渐成为人们日常甚至是军用通信手段的主流。无线通信借助天线以电磁波为载体实现人们的通信要求，但是由于无线电磁波传输的开放性，任何人都可以在空间电磁信号足够强的位置截获通信信息。因此，无线相比于有线而言，其安全性更不容易保障，而如何在无线通信场景下既保证合法用户能够可靠接收保密信息，又能使得窃听端无法截获保密信息已经成为人们研究和关注的主题。
传统实现保密传输通常采用在高层加密的手段，即在高层采用密钥对保密信息完成加密处理，但该种策略往往要涉及密钥生成、协商和分发等环节，当密钥在无线链路中传送时就非常容易被窃听者窃听，从而可能导致加密信息被解密。
无线传输在暴露出其在安全性上不足的同时，也为更进一步地保证无传输链路安全提供了可能。由于无线链路当在传输过程中遇到较为丰富的反射和散射物时，其信道往往具有多径和时变的特征，不同用户对之间的信道往往具有私有性，即其两两之间差别一般较大。除此之外，特别是在TDD模式中，收发链路信道也具有互易性。利用上述无线信道的互易性，私有性和时变性特征，在通信双方独立地建立相同的、不为第三方获取的、时变的密钥，利用此密钥实现传统高层加密来解决无线通信的保密问题，这是本项发明的基本出发点。由于无线信道的开放性带来的保密性问题由开放的无线信道本身来解决就是本项发明和常规加密方法的不同之处。
一般的基于无线物理层密钥生成方案首先需要完成信道特征提取，即通信双方对于信道进行测量，或者取各自的信道特征作为密钥生成的基础。此时，如果直接通过对信道特征量化来获取密钥时，总会出现信道特征邻近量化边界的情况，该种情况在接收机噪声较大时就会非常容易导致通信双方生成的密钥不一致。因此，在完成信道特征提取后，还需要完成密钥的协商一致，即双方通过交换一定的信息以提高生成密钥的一致率(KAR)，当然这里交换的信息要尽可能地少，并且尽可能少地涉及密钥信息。
目前已有相关研究从无线物理层入手，通过完成信道估计，利用信道的相关特征来实现密钥生成。但这些研究所提出的大部分密钥协商方案例如分组平移量化(GSQ)都需要在高层完成，通过公共信道交换的信息较多，成本开销较大，实现较为复杂，没有充分利用好物理层传输的特点。极少数协商方案类似于带保护带的信道量化(CQG)虽然可以提高KAR，而且协商过程简单，直接剔除处于量化边界的信道特征即可，但该类方法显然会降低生成密钥的长度。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明给出了一种基于物理层导频预调的点对点密钥协商方法。其核心在于，为避免生成密钥KAR受到接收机噪声影响，基站在下行通信时，发射经过一个复系数调制后的导频序列，使得移动台在按照标准导频估计出的等效信道系数尽可能地接近量化中心，此时再通过量化获得密钥就可以保证在不降低密钥长度的情况下提高KAR。该种密钥协商方法可以很好地利用物理层传输的特点，将公共信道上的信息交互降至最小，且其实现难度和成本都比较低。基于上下行链路特别是在TDD工作模式下满足的互易性，基站和移动台两端所量化得到的信道参数接近相同，当信道噪声较小时，两端可以得到较为一致的密钥。而又由于信道所具有的私有性和时变性，作为在第三方窃听的窃听者由于其窃听链路与主链路信道不同，其很难得到与合法用户相同的一致性密钥。通过导频预调，该种方法在物理层上一次实现了密钥生成、协商和分发的全过程。
为达到以上所述目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：
一种基于物理层导频预调的点对点密钥协商方法，包括下述步骤：
(1)基站端生成密钥：在上行链路通信过程中，移动台向基站发射标准导频信号，基站通过标准导频信号估计出上行链路的复信道系数rA，通过对该复信道系数直接完成离散量化，从而得到所需的基站端密钥qA；
(2)基站端计算导频预调复系数：在下行链路通信过程中，基站通过在步骤(1)中得到的上行链路复信道系数rA和基站端密钥qA，计算基站在标准导频序列上应该预乘的导频预调复系数p，使得这个导频预调复系数p与在步骤(1)中得到的上行链路复信道系数rA相乘之后的等效平坦衰落复信道系数p·rA处于复信道系数量化判决域的中心位置；
(3)移动台端生成密钥：基站发射用步骤(2)中导频预调复系数p乘以标准导频后得到的导频，移动台通过标准导频信号估计出下行链路的等效复信道系数rB，通过对该复信道系数直接完成离散量化，从而得到所需的移动台端密钥qB。
上述方法中，依据对上行链路和下行链路复信道系数具体量化参数选取的不同，可分为以下两种情况：
情况1：仅对上行链路和下行链路复信道系数的相位完成量化时，步骤(1)(3)中生成基站端和移动台端密钥的量化方法与步骤(2)中基站端导频预调复系数的计算方法具体如下：
基站端和移动台端在量化生成密钥时，将整个复平面呈放射状均匀划分360度相位为N份，划分的边界即为量化边界，由此形成量化判决域，其中N＝2L代表量化级数，L为所需生成的二进制密钥长度；步骤(1)和步骤(3)中生成基站端和移动台端的密钥满足其中α∈[0,2π]为对应上行链路或下行链路复信道系数r的相位，代表下取整操作，M＝2π/N；步骤(2)中的基站端导频预调复系数其相位满足其中αA∈[0,2π]为基站通过标准导频信号估计出上行链路复信道系数rA的相位，qA为基站端生成的密钥。
情况2：对上行链路和下行链路复信道系数的实部和虚部完成量化时，步骤(1)(3)中生成基站端和移动台端密钥的量化方法与步骤(2)中基站端导频预调复系数的计算方法具体如下：
基站端和移动台端在量化生成密钥时，将整个复平面分别按照实轴方向和虚轴方向完成整个二维复平面的非均匀划分以保证所生成密钥分布的均匀性，在瑞利衰落信道下，对每个轴向而言，该非均匀划分的量化边界为x＝σ·Q-1(1-y)，由此形成量化判决域，其中Q-1(·)为标准正态分布右尾函数的反函数，P为瑞利衰落信道复信道系数的平均功率；步骤(1)(3)中生成基站端和移动台端的密钥满足其中nR为对应上行链路或下行链路复信道系数r的实部沿实轴方向落入量化判决域的序号数，nI为对应上行链路或下行链路复信道系数r的虚部沿虚轴方向落入量化判决域的序号数，nR和nI均为从0开始的整数；步骤(2)中的基站端导频预调复系数p＝cA/rA，其中cA为与基站端密钥qA相对应的量化判决域表示中心位置的复数，rA为基站通过标准导频信号估计出上行链路的复信道系数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.充分利用到物理层完成密钥生成的优势，将公共信道上的信息交互降至最小，抗窃听性能好，且其实现难度和成本都比较低；
2.能够在保证可生成密钥长度的基础上最大限度地提高密钥生成的一致率；
3.不存在其他类似密钥生成方法中在密钥协商阶段引入的量化误差；
4.通过所提出的导频预调方法，借助物理层无线信道一次完成密钥生成、协商和分发的全过程。
附图说明
图1为本发明仅对上行链路和下行链路复信道系数的相位完成量化时生成密钥的示意图。
图2为本发明对上行链路和下行链路复信道系数的实部和虚部完成量化时生成密钥的示意图。
图3为不同量化情况下生成密钥不一致率随接收机信噪比的变化情况图。
图4为移动台和窃听者生成密钥的一致率随两者距离的变化情况图。
具体实施方式
下面以基站和移动台分别配置单天线的例子来说明借助导频预调来生成密钥方法的具体实现过程。如下的设计只是为了解释发明的思路和原理，但是发明的范围不局限于具体的例子和条件，如天线的个数、量化选取的信道特征、基站和移动台获取密钥的顺序、导频的长度、所需生成密钥的长度、正交序列和扰码的选取等。
在这里考虑最简单的点对点密钥协商模型：基站与移动台要通过估计和量化双方各自的信道特征来完成密钥生成和协商；基站采用TDD的双工模式，通信两端估计的信道特征基本相同，即信道满足互易性，信道为平坦衰落信道，信道系数服从瑞利分布；所需生成的二进制密钥长度为L，N＝2L表示在生成密钥时的量化级数。
导频预调复系数p的计算方法和得到密钥的量化方法与量化选取的信道特征参数密切相关。在基站配备多天线时，信道特征可选为到达角、离去角等信息；当基站配备单天线时，通过导频估计出的信道特征为一个复信道系数。对于复信道系数而言，既可对其幅度和相位分别量化，也可分别量化其实部和虚部。为此，本发明考虑了以下两种情况：
情况1：考虑到导频预调复系数与复信道系数为相乘关系，为使得预调复系数与信道特征最好为加性关系，而且信道特征的估计值能满足均匀分布以便于量化边界的选取，这里考虑仅对复信道系数相位完成量化的情况。
密钥在量化时，将整个复平面呈放射状均匀划分360度相位为N份，划分的边界即为量化边界，形成如图1所示的量化判决域。一种基于物理层导频预调的点对点密钥协商方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)基站端生成密钥：在上行链路通信过程中，移动台向基站发射标准导频信号，基站通过标准导频信号估计出上行链路的复信道系数rA，通过对该取值连续信道系数直接完成离散量化，从而得到所需的基站端密钥其中M＝2π/N，αA∈[0,2π]为信道系数rA的相位，代表下取整操作；
(2)基站端计算导频预调系数：在下行链路通信过程中，基站通过在步骤(1)中得到的信道系数rA和信道系数的离散量化qA，计算基站在标准导频序列上应该预乘的复系数其中复系数p的相位其中M＝2π/N，αA∈[0,2π]为基站通过标准导频信号估计出上行链路的信道系数rA的相位，从而使得这个导频预调复系数p与在步骤(1)中得到的信道系数rA相乘之后的等效信道系数p·rA处于相位量化中心位置；
(3)移动台端生成密钥：基站发射经过步骤(2)中复系数p预调的导频，移动台通过标准导频信号估计出下行链路的等效信道系数rB，通过对该取值连续信道系数直接完成离散量化，从而得到所需的移动台端的密钥其中M＝2π/N，αB∈[0,2π]为信道系数rB的相位，代表下取整操作。
图1为量化级数N＝8，接收机在信噪比为10dB时，某次瑞利衰落信道实现下采用情况1生成密钥的示意图。其中“realh”为复信道权值的真实值，“hA”和“hBw/oPA”分别代表在基站和移动台两端不采用本发明提出的导频预调估计得到的有噪复信道权值，“hBwPA”表示采用本发明提出的导频预调在移动台端估计得到的有噪复信道权值。从图1可以看到，在此次信道实现的情况下，当两端观测到的信道参数相差不是特别大时，可以看到基站端生成的密钥与采用了导频预调在移动台端生成的密钥落入相同的量化判决域，这说明采用这里提出的导频预调方案确实可以保证这种情况下在基站和移动台两端生成密钥的一致性。
情况2：考虑到如果仅对复信道系数的相位进行量化，一方面损失了其幅度信息，另一方面，相位的量化精度与复信道系数的幅度相关(受瞬时信道条件制约)：当噪声的方差固定，当信道幅值大时，估计精度高；当信道幅值小时，估计精度差，相位受噪声的影响大。故而在情况2考虑对复信道权值的实部和虚部完成量化。
为保证生成密钥的均匀分布，需要进行非均匀量化，即将整个复平面分别按照实轴和虚轴方向完成整个二维复平面的非均匀划分，形成如图2所示的量化判决域。由于复高斯信道系数的实部或虚部服从高斯分布，而对任意随机变量X而言，其随机变量的分布函数F(X)～U(0,1)，即其在区间(0,1)上服从均匀分布。故而可先将区间(0,1)等间隔划分，再通过高斯分布函数的反函数得到其非等间隔划分。设y＝F(x)＝P(X≤x)＝1-Q(x/σ)为标准正态分布的分布函数，于是对每个轴向而言，该非均匀划分的量化边界为x＝σ·Q-1(1-y)，其中 Q-1(·)为标准正态分布右尾函数的反函数，P为瑞利衰落信道复信道系数的平均能量。在实际FPGA编程实现时，可将该量化边界提前计算好保存为ROM表，使用的时候采用查表的方式得到当前信道状态下的量化边界。一种基于物理层导频预调的点对点密钥协商方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)基站端生成密钥：在上行链路通信过程中，移动台向基站发射标准导频信号，基站通过标准导频信号估计出上行链路的复信道系数rA，通过对该取值连续信道系数直接完成离散量化，从而得到所需的基站端密钥其中nR为信道系数rA实部沿实轴方向落入量化判决区域的序号数(从0开始)，nI为信道系数rA虚部沿虚轴方向落入量化判决区域的序号数(从0开始)；
(2)基站端计算导频预调系数：在下行链路通信过程中，基站通过在步骤(1)中得到的信道系数rA和信道系数的离散量化qA，计算基站在标准导频序列上应该预乘的复系数p＝cA/rA，从而使得这个复系数p与在步骤(1)中得到的信道系数rA相乘之后的等效信道系数p·rA处于量化中心位置，其中cA为与qA相对应的位于量化中心位置的复数；
(3)移动台端生成密钥：基站发射经过步骤(2)中复系数p预调的导频，移动台通过标准导频信号估计出下行链路的等效信道系数rB，通过对该取值连续信道系数直接完成离散量化，从而得到所需的移动台端的密钥其中nR为信道系数rB实部沿实轴方向落入量化判决区域的序号数(从0开始)，nI为信道系数rB虚部沿虚轴方向落入量化判决区域的序号数(从0开始)。
图2为量化级数N＝16，接收机在信噪比为10dB时，某次瑞利衰落信道实现下采用情况2生成密钥的示意图。其中“realh”为复信道权值的真实值，“hA”和“hBw/oPA”分别代表在基站和移动台两端不采用本发明提出的导频预调估计得到的有噪复信道权值，“hBwPA”表示采用本发明提出的导频预调在移动台端估计得到的有噪复信道权值。与情况1下的结果类似，在此次信道实现的情况下，当两端观测到的信道参数相差不是特别大时，可以看到基站端生成的密钥与采用了导频预调在移动台端生成的密钥落入相同的量化判决域，这说明采用这里提出的导频预调方案确实可以保证这种情况下在基站和移动台两端生成密钥的一致性。
当量化级数N＝16时，采用Matlab进行本方法的仿真，统计信道20000次实现，将不采用导频预调(标注为“w/oPA”)、采用导频预调但只量化复信道系数相位的情况1(标注为“wPAPhase”)和采用导频预调并且量化复信道系数实部和虚部的情况2(标注为“wPAComplex”)的密钥不一致率(1-KAR)随接收机信噪比(SNR)的变化情况绘制在同一张图上，如图3所示。可以看到，在信噪比较高时，采用本发明提出的导频预调方法比不采用本方法更优。同时，情况2与情况1相比，情况2可以实现更优的密钥一致率。
当存在外部的窃听者时，采用SCME信道模型建模，假设基站发射标准导频，在移动台和窃听者接收端没有噪声的情况，采用本导频预调方法，统计信道1000次实现，考察移动台和窃听者各自通过信道估计并完成信道量化所生成密钥的一致率(KAR)随两者距离(单位为载波波长)的变化情况如图4所示。其中“corrcoef”代表移动台和窃听者端估计得到信道的相关系数，“kar”代表两者所生成密钥的一致率。可以看到，随着移动台与窃听者两者的距离逐渐增大，两端估计信道的相关系数和KAR变化情况一致，均为下降的趋势；当两者相距超过半个波长时，生成密钥的一致率就已经降到了20％以下，这体现了信道的私有性特点，也同时说明了本发明所提出的密钥生成方案具有很好的抗窃听性能。

Claims (3)

1.一种基于物理层导频预调的点对点密钥协商方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)基站端生成密钥：在上行链路通信过程中，移动台向基站发射标准导频信号，基站通过标准导频信号估计出上行链路的复信道系数rA，通过对该复信道系数直接完成离散量化，从而得到所需的基站端密钥qA；
(2)基站端计算导频预调复系数：在下行链路通信过程中，基站通过在步骤(1)中得到的上行链路复信道系数rA和基站端密钥qA，计算基站在标准导频序列上应该预乘的导频预调复系数p，使得这个导频预调复系数p与在步骤(1)中得到的上行链路复信道系数rA相乘之后的等效平坦衰落复信道系数p·rA处于复信道系数量化判决域的中心位置；
(3)移动台端生成密钥：基站发射用步骤(2)中导频预调复系数p乘以标准导频后得到的导频，移动台通过标准导频信号估计出下行链路的等效复信道系数rB，通过对该复信道系数直接完成离散量化，从而得到所需的移动台端密钥qB。
2.如权利要求1所述的基于物理层导频预调的点对点密钥协商方法，其特征在于，仅对上行链路和下行链路复信道系数的相位完成量化时，步骤(1)(3)中生成基站端和移动台端密钥的量化方法与步骤(2)中基站端导频预调复系数的计算方法具体如下：
基站端和移动台端在量化生成密钥时，将整个复平面呈放射状均匀划分360度相位为N份，划分的边界即为量化边界，由此形成量化判决域，其中N＝2L代表量化级数，L为所需生成的二进制密钥长度；步骤(1)(3)中生成基站端和移动台端的密钥满足其中α∈[0,2π]为对应上行链路或下行链路复信道系数r的相位，代表下取整操作，M＝2π/N；步骤(2)中的基站端导频预调复系数其相位满足其中αA∈[0,2π]为基站通过标准导频信号估计出上行链路复信道系数rA的相位，qA为基站端生成的密钥。
3.如权利要求1所述的基于物理层导频预调的点对点密钥协商方法，其特征在于，对上行链路和下行链路复信道系数的实部和虚部完成量化时，步骤(1)和步骤(3)中生成基站端和移动台端密钥的量化方法与步骤(2)中基站端导频预调复系数的计算方法具体如下：
基站端和移动台端在量化生成密钥时，将整个复平面分别按照实轴方向和虚轴方向完成整个二维复平面的非均匀划分以保证所生成密钥分布的均匀性，在瑞利衰落信道下，对每个轴向而言，该非均匀划分的量化边界为x＝σ·Q-1(1-y)，由此形成量化判决域，其中Q-1(·)为标准正态分布右尾函数的反函数，P为瑞利衰落信道复信道系数的平均功率；步骤(1)和步骤(3)中生成基站端和移动台端的密钥满足其中nR为对应上行链路或下行链路复信道系数r的实部沿实轴方向落入量化判决域的序号数，nI为对应上行链路或下行链路复信道系数r的虚部沿虚轴方向落入量化判决域的序号数，nR和nI均为从0开始的整数；步骤(2)中的基站端导频预调复系数p＝cA/rA，其中cA为与基站端密钥qA相对应的量化判决域表示中心位置的复数，rA为基站通过标准导频信号估计出上行链路的复信道系数。
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