CN106209355A - 一种基于信道特征参数的无线通信密钥生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于信道特征参数的无线通信密钥生成方法，包括：通信双方在相干时间内依次给对方发送导频信号；双方分别对接收到的导频信号进行处理，获得各自的信道响应；双方从各自的信道响应中分别提取信道特征参数，并量化生成二进制序列作为码本号；通信发起方根据其码本号生成校验信息并发送给通信接受方；通信接受方接收校验信息并与通信接受方生成的码本号进行比对，如果有误则请求通信发起方重新发起通信，如果无误则发送反馈信息告知通信发送方无误并由码本号查找码本获得密钥；通信发起方收到无误的信息，由码本号查找相同的码本获得密钥。本发明的有益效果：本发明能在较低的运算复杂度下保证高密钥的生成速率；且能适用FDD系统。

Description

一种基于信道特征参数的无线通信密钥生成方法

技术领域

本发明涉及无线与移动通信技术领域，具体来说，涉及一种基于信道特征参数的无线通信密钥生成方法。

背景技术

目前无线通信在军事和民用领域都有着广泛的应用，但无线通信特有的开放特性导致无线信息传输的安全性较低。传统的解决方法是在网络层通过公私密钥对数据进行加密。但是在动态的无线网络中，对称加密方法需要解决无线通信下密钥分发的难题，密钥分发一方面引入额外的复杂度和成本，无法对密钥进行快速更新或一次一密，另一方面分发过程中容易泄密。而非对称密钥算法需要移动节点较难负担的高功率和高运算成本，如专利号为201210330144.4的中国专利公开的一种用于无线协作通信网络的非对称信道通信密钥生成方法所示的情况。

为改进传统网络层加密的这些缺点，基于无线信道的物理层密钥生成方法被提出，如专利号为201210313272.8的中国专利公开的一种用于认知无线电系统的通信密钥生成方法和安全信道选择方法。这些方法首先需要采集上、下行信道的接收信号强度或多径信息或时延等信道参数，其中接收信号强度最为常用。由于相干时间内上下行信道的互易性，通信双方所采集的信道参数基本一致。然后通信双方分别对所采集的信道参数量化处理得到二进制序列并直接将其作为初始密钥，由于采集到的信道参数一致性很高，初始密钥一般差别很小。最后通信双方通过信息调和，对初始密钥进行校正，最终获得完全相同的密钥。这种方法的最大特点是利用相干时间内上下行信道特性的互易性，由信道参数直接获得密钥。其运算成本一般低于传统网络层加密方法，也没有密钥分发的问题。

但是这类方法也有不足之处：

一是信道参数的采样间隔必须大于信道变化的相干时间。如果采样间隔快于相干时间，将会造成所采集的信道参数相关性较大，若要考虑去相关则会增加很多运算成本。如果提高 采样间隔则会使单位时间采集到的信道参数样本减少，而导致密钥生成速率降低。在通信信道变化较慢的情况下，相干时间很长，这样在短时间内采集到的信道参数一致性很高，相邻多次通信过程中产生的各密钥重复性很大，密钥生成速率较低，且安全性不佳；

二是这类方法依靠上下行信道特性的互易性因而多用于时分双工(TimeDivision Duplex,简称TDD)通信系统中，依靠对接收信号强度的量化处理生成密钥。但实际应用中，大量无线和移动通信系统采用频分双工Frequency Division Duplex,简称FDD)技术。FDD通信系统中上下行信道频率不同，无线通信在复杂环境下的多径效应会导致频率选择性衰落，亦即不同频率的信号经历相同的传播环境其信道特性不同。因此，FDD通信系统中上下行信道特性的一致性得不到保证，上述物理层密钥生成方法无法有效应用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于信道特征参数的无线通信密钥生成方法，能够解决现有基于无线信道特征提取的物理层密钥生成技术中运算量大，密钥生成速率低，不适用于FDD通信系统的缺陷。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于信道特征参数的无线通信密钥生成方法，包括以下步骤：

1)通信发起方发送第一导频信号给通信接受方；

2)通信接受方收到第一导频信号的数据样本后在相干时间内发送第二导频信号给通信发起方；

3)通信发起方收到第二导频信号的数据样本，通信双方分别对接收到的导频信号进行处理，获得各自的信道响应；

4)通信双方从各自的信道响应中分别提取信道特征参数，并量化生成二进制序列作为码本号；

5)通信发起方根据其码本号生成校验信息，并发送校验信息给通信接受方；

6)通信接受方收到校验信息后，与步骤3)中通信接受方生成的码本号进行比对，如果对比结果有误则请求通信发起方重新发起通信，回到步骤1)，如果对比结果无误则发送反馈信息告知通信发送方无误并由码本号查找码本获得密钥；

7)通信发起方收到无误的信息，由码本号查找相同的码本获得密钥。

进一步的，本发明方法还包括：

设定密钥的有效期，当通信双方之间对密钥的使用达到密钥的有效期时，回到步骤1)，重新生成新的密钥。

进一步的，所述设定密钥的有效期为通信双方规定的密钥的使用时间或者通信双方规定的密钥的使用次数。

进一步的，所述第一导频信号与第二导频信号相同或不同。

进一步的，步骤4)中所述信道特征参数包括多径数目、多径信号功率和多径间时延中的一种或多种。

进一步的，步骤3)中获得信道响应的方法为通信双方将各自接受到的数据样本与对方导频信号的本地样本作相关运算，所述相关运算如下公式所示：

h(t,τ)＝∫r(t，x)s(τ-x)dx

其中：h(t，τ)为信道相应，r(t，τ)为数据样本，s(τ)为导频信号，t为时间，τ为时延。

进一步的，步骤4)中提取信道特征参数，并量化生成二进制序列作为码本号的方法包括以下步骤：

4.1)根据获得的信道响应算出信道的功率时延谱；

4.2)选取所述功率时延谱上功率最高点，以其为基准在-20dB处设置门限，将超过这一门限的簇设定为一条多径分量；

4.3)由步骤4.2)中区分出的各条多径分量获得各多径分量功率，选取功率最高的6条，获得其中相邻多径分量的到达时间间隔，如果多径数少于6条，则在对应位置补0；

4.4)选出时间间隔最大值并将其量化为三位二进制数，其他时间间隔等比例量化，向下取整；

4.5)将量化得到的值依次拼接起来，生成长为15位的码本号。

进一步的，步骤5)中所述校验信息为奇校验码。

本发明的有益效果：

1、本发明通过设定码本与码本号的映射关系，能使较短的码本号映射成很长的密码，所以密钥生成速率大大加快，即本发明可以在较低的运算复杂度下保证高密钥生成速率；

2、当处于信道特征变化较小的环境下，短时间内各次通信生成的码本号之间变化也很微小，但通过码本的映射可以生成互相之间没有相关性的密钥，保证了在信道特征变化较小时的安全性并不降低，码本本身也带来了新的不确定性，只要窃听者未掌握码本 信息，那么即使能够模拟推算出合法信道的信道特征参数，也无法破译；

3、本发明无线通信密钥生成方法既适用于TDD系统，又可以适用于FDD系统。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述方法的应用环境模型；

图2为本发明所述方法的流程图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1所示为本发明的应用环境模型，包括通信双方Alice与Bob，窃听者Eve，以及不规则分布的散射物。

通信双方Alice与Bob使用相同的码本，且窃听者Eve并不知道有关此码本的任何信息。窃听者Eve可以接收到Alice与Bob发送的一切信息，并且拥有无限制的运算能力。窃听者Eve与Alice和Bob的距离都大于相干距离。

如图2所示，为本发明的实施例提供的一种基于信道特征参数的无线通信密钥生成方法，具体包括：通信开始时通信发起方Alice先发送第一导频信号s(τ)，通信接收方Bob接收到数据样本r(t，τ)，通过将r(t，τ)与第一导频信号的本地样本s(τ)作相关运算，就可以得到信道冲激响应：h(t,τ)＝r(t,τ)...s(τ)，即h(t，τ)＝∫r(t，x)s(τ-x)dx信道冲激响应h(t，τ)是时间和时延的函数，由h(t，τ)可以算出信道的功率时延谱PDP(t,τ)＝|h(t,τ)|²。假设Bob接收到数据样本的时间为t₀，算出信道的功率时延谱 为PDP(t₀，τ)。Bob接收到导频信号的数据样本后同样发送一段导频信号s′(τ)，s′(τ)可以与s(τ)相同或不同。Alice接收后经相同处理获得PDP′(t₀+Δt，τ)，其中Δt小于相干时间。如果使用的是TDD的通信方式，PDP(t₀，τ）与PDP′(t₀+Δt，τ)近似相同。如果使用的是FDD的通信方式，上下行信道频率不同，由于频率选择性衰落的原因PDP(t₀，τ）与PDP′(t₀+Δt,τ)是不同的，但相干时间内上下行信道各多径分量的到达时间基本一致，所以PDP(t₀，τ)与PDP′(t₀+Δt，τ)中各峰值对应的τ是相同的。

Alice与Bob分别对各自得到的功率时延谱进行处理获得信道参数，并通过对信道参数量化得到码本号，方法如下：第一步，选取功率时延谱上功率最高点，以其为基准在-20dB处设置门限。超过这一门限的簇可以看作是一条多径分量。第二步，由第一步中区分出的各条多径分量获得各多径分量功率，选取功率最高的6条，获得其中相邻多径分量的到达时间间隔[τ₁，τ₂，…，τ₆]，如果多径数少于6条，则在对应位置补0。第三步，选出时间间隔最大值max(τ₁，τ₂，…，τ₆)将其量化为三位二进制数111，其他时间间隔等比例量化，公式为向下取整。第四步，将量化得到的值依次拼接起来，生成长为15位的码本号d_Alice和d_Bob。

Alice由码本号d_Alice生成奇校验码e_Alice发送给Bob，Bob结合收到的奇校验码e_Bob与码本号d_Bob判断d_Alice和d_Bob是否相同，若有误则通知Alice重新执行以上步骤，若无误则反馈无误信息通知Alice，在通信双方共有的码本中一个15位的码本号对应一个128位的随机数，通信双方由上述步骤生成的15位码本号d_Alice和d_Bob查找对应的128位密码，以此密码对信息加密进行接下来的通信。

Alice与Bob结束了一轮通信后，重新执行以上步骤，生成新的密码，可以实现一次一密，也可以双方规定好通信次数N，当密钥使用N次后重新生成密钥，还可以双方规定密钥过期时间T，当密钥使用时间达到T时重新生成密钥。

本发明的原理：现有的无线通信密钥生成方法大多是直接利用信道特征参数的不确 定性生成密钥，密钥生成速率慢。这种方法生成的密钥相当于本发明中的码本号，虽然码本号生成速率慢，通过码本的映射关系，较短的码本号可以映射成很长的密码，所以密钥生成速率大大加快，即本发明可以在较低的运算复杂度下保证高密钥生成速率。

当处于信道特征变化较小的环境下，短时间内各次通信生成的码本号之间变化也很微小，但通过码本的映射可以生成互相之间没有相关性的密钥，保证了在信道特征变化较小时的安全性并不降低。

码本本身也带来了新的不确定性，只要窃听者未掌握码本信息，那么即使能够模拟推算出合法信道的信道特征参数，也无法破译。

该技术方案既适用于TDD系统，又可以适用于FDD系统。对于TDD方案，仍然可以使用多径数目、多径信号功率、多径间时延等参数作为信道特征参数生成码本。而尽管多径分量的功率随着频率变化而变化，但多径分量的个数只与散射体多少有关，多径分量到达时间只取决于各径传输距离以及电磁波的传输速度，其中电磁波传输速度与频率无关，因此对于FDD系统，仍然可以使用多径个数或多径间时延作为信道参数生成码本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于信道特征参数的无线通信密钥生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通信发起方发送第一导频信号给通信接受方；

2)通信接受方收到第一导频信号的数据样本后在相干时间内发送第二导频信号给通信发起方；

3)通信发起方收到第二导频信号的数据样本，通信双方分别对接收到的导频信号进行处理，获得各自的信道响应；

4)通信双方从各自的信道响应中分别提取信道特征参数，并量化生成二进制序列作为码本号；

5)通信发起方根据其码本号生成校验信息，并发送校验信息给通信接受方；

6)通信接受方收到校验信息后，与步骤3)中通信接受方生成的码本号进行比对，如果对比结果有误则请求通信发起方重新发起通信，回到步骤1)，如果对比结果无误则发送反馈信息告知通信发送方无误并由码本号查找码本获得密钥；

7)通信发起方收到无误的信息，由码本号查找相同的码本获得密钥。

2.根据权利要求1所述的基于信道特征参数的无线通信密钥生成方法，其特征在于，还包括：

设定密钥的有效期，当通信双方之间对密钥的使用达到密钥的有效期时，回到步骤1)，重新生成新的密钥。

3.根据权利要求2所述的基于信道特征参数的无线通信密钥生成方法，其特征在于，所述设定密钥的有效期为通信双方规定的密钥的使用时间或者通信双方规定的密钥的使用次数。

4.根据权利要求1或2所述的基于信道特征参数的无线通信密钥生成方法，其特征在于，所述第一导频信号与第二导频信号相同。

5.根据权利要求1或2所述的基于信道特征参数的无线通信密钥生成方法，其特征在于，所述第一导频信号与第二导频信号不同。

6.根据权利要求1或2所述的基于信道特征参数的无线通信密钥生成方法，其特征在于，步骤4)中所述信道特征参数包括多径数目、多径信号功率和多径间时延中的一种或多种。

7.根据权利要求1或2所述的基于信道特征参数的无线通信密钥生成方法，其特征在于，步骤3)中获得信道响应的方法为通信双方将各自接受到的数据样本与对方导频信号的本地样本作相关运算，所述相关运算如下公式所示：

h(t，τ)＝∫r(t，x)s(τ-x)dx

其中：h(t，τ)为信道相应，r(t，τ)为数据样本，s(τ)为导频信号，t为时间，τ为时延。

8.根据权利要求7所述的基于信道特征参数的无线通信密钥生成方法，其特征在于，步骤4)中提取信道特征参数，并量化生成二进制序列作为码本号的方法包括以下步骤：

4.1)根据获得的信道响应算出信道的功率时延谱；

4.2)选取所述功率时延谱上功率最高点，以其为基准在-20dB处设置门限，将超过这一门限的簇设定为一条多径分量；

4.3)由步骤4.2)中区分出的各条多径分量获得各多径分量功率，选取功率最高的6条，获得其中相邻多径分量的到达时间间隔，如果多径数少于6条，则在对应位置补0；

4.4)选出时间间隔最大值并将其量化为三位二进制数，其他时间间隔等比例量化，向下取整；

4.5)将量化得到的值依次拼接起来，生成长为15位的码本号。

9.根据权利要求1或2所述的基于信道特征参数的无线通信密钥生成方法，其特征在于，步骤6)中所述校验信息为奇校验码。