CN106304053B - 基于基站控制的d2d通信物理层群密钥产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物理层的D2D通信群密钥产生方法，主要解决基站控制下的D2D群通信的安全问题。其实现步骤是：1)参与群通信的用户设备首先产生随机相位，根据该相位产生用户探测信号发送给基站；2)基站测量在使用全功率传输信号时的信噪比，并根据信噪比计算功率分配系数；3)基站对接收到的用户探测信号进行相位估计，根据相位估计值和功率分配系数产生基站探测信号并发送给用户设备；4)用户设备对接收到的基站探测信号进行干扰消除和相位估计，并结合1)产生的随机相位计算出群密钥。本发明减少了与核心网的交互，降低了核心网的负荷，能缓解大规模接入造成的信令拥塞程度，可用于功率复用的非正交多址接入NOMA通信环境。

Description

基于基站控制的D2D通信物理层群密钥产生方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更近一步涉及一种端到端D2D物理层群密钥产生方法，可用于功率复用的非正交多址接入NOMA通信环境中。

背景技术

D2D通信作为未来移动通信的一种重要方式，已经引起了业界和学术界越来越多的关注，其中群组通信是D2D通信的主要应用场景。NOMA是5G的关键候选技术之一，在这种调制模式下能否实现安全的D2D群组通信是其能否被5G标准正式采纳的决定因素之一。现有的D2D安全研究主要集中在链路层以上，这类解决方案会造成大规模接入时核心网的信令拥塞。

由Hongbo Liu等人撰写的论文“Collaborative Group Key ExtractionLeveraging Received Signal Strength in Real Mobile Environments”提出了一种基于物理层的群组密钥产生方法。该方案基于接收信号强度产生密钥，并提出了星形和链式两种结构的群密钥产生方式。星形结构产生群密钥的方式是：首先选择两个节点，一个作为中心节点，另一个作为估计节点。群成员与中心节点相互发送导频信号并计算信号强度RSS，中心节点计算与普通节点之间的RSS和与估计节点之间RSS的差值DOSS，其余节点在已知与中心节点之间的RSS和DOSS之后都可以对中心节点与估计节点之间的RSS值进行估计，利用该值产生群密钥。链式结构和星形结构类似，都是在已知RSS和差值DOSS的前提下对选定的两个节点之间的信号进行估计，区别于随机选择中心节点和估计节点，链式结构选择第一个节点为估计节点，第二个节点为中心节点，对选定的两个节点之间信道特征进行估计。该方案提出了物理层产生群密钥的实际应用方式，但基于接收信号强度的密钥产生方式密钥生成率低，尤其是参与群通信的设备保持静止状态时，很难达到所需的密钥生成率。使用基于信号强度的密钥生成方式，量化过程比较复杂，计算复杂度较高。密钥产生过程中没有基站的参与，参加群通信用户设备身份的安全性难以得到认证。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于基站控制的D2D通信物理层群密钥产生方法，以提高密钥生成率，简化量化过程，保证身份安全性。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

(1)参与群通信的n个用户设备UE分别产生随机相位值φ_i，使用这些随机相位值φ_i创建在D个子载频上的用户探测信号X_i，并将其产生的用户探测信号X_i发送给基站，i∈[1,n]，φ_i服从0～2π上的均匀分布；

(2)基站使用全功率传输信号对基站与各个用户设备UE之间的信噪比SNR_i进行测量，并根据信噪比的值计算功率分配系数a₁,...,a_i,...,a_n，其中，a_i表示分配给第i个用户设备UE的功率系数；

(3)基站对接收到的来自各个用户设备UE的用户探测信号X_i进行相位估计，得到基站估计向量结合基站估计向量产生不同的信号X_i'，并结合功率分配系数a_i产生基站探测信号S发送给用户设备UE；

(4)用户设备UE接收基站探测信号S，使用串行干扰消除检测器SIC消除干扰，并估计该接收信号的相位，结合随机相位值φ_i求出公共集合I_D；

(5)用户设备UE对公共集合I_D中的每个元素进行均匀量化，再将量化之后的数拼接在一起进行LDPC编码，编码后的值即为群密钥K。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)本发明由于采用基站控制下的群密钥产生方式，只需要参与群通信的用户设备分别与基站交换探测信号，无需群用户设备之间依次交换信息，从而节省了密钥生成所需的时间；

2)本发明由于采用基于物理层的密钥产生方式，密钥依赖信道的传输特性产生，无需使用上层协议，可以减少与核心网的交互，从而减轻了核心网的负荷，缓解了信令拥塞程度；

3)本发明由于采用NOMA调制方式，可以实现一次性发送给不同的用户设备不同的信息，减少了占用的带宽和传输时间，提高了密钥生成效率；

4)本发明采用基于信号相位的密钥生成方式，由于信号相位的随机分布特性，量化过程简单，密钥生成效率较高，参与群通信的用户设备即使在静止状态下也能达到较高的密钥生成速率。

附图说明

图1为本发明的使用场景图；

图2为本发明的实现流程图；

图3为本发明中的用户设备产生用户探测信号的子流程图；

图4为本发明中基站产生基站探测信号的子流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照图1，本发明使用的场景包括用户设备UE和基站，其中，用户设备UE与基站之间能直接进行通信，用户设备UE之间的通信包括两种：一是用户设备UE将基站作为中介进行通信，二是用户设备UE在基站的控制下直接通信；基站能认证用户设备UE的身份，控制D2D通信的连接过程和群密钥的产生过程。

参考图2，本发明的实现步骤如下：

步骤1，用户设备UE产生随机相位值，并使用这些值产生用户探测信号，通过上行链路发送给基站。

上行链路采用的调制方式为OFDM，每个OFDM包的持续时间为T，带宽为W，将频带分为D个子载频，D一般为64，n个用户设备UE参与群通信：

参照图3，本步骤的具体实现如下：

(1a)用户设备UE产生随机相位值φ_i，且φ_i服从0～2π上的均匀分布，i∈[1,n]；

(1b)用户设备UE将随机相位值φ_i作为探测信号在D个子载频上的初相，得到探测信号用户初相向量其中，表示第i个用户设备UE在第k个子载频上的初相，k∈[1,D]，的值均为φ_i；

(1c)用户设备UE使用用户初相向量C_i产生用户探测信号X_i＝{x_i,1(t),...,x_i,k(t),...,x_i,D(t)}，其中，表示第i个用户设备UE在第k个子载频上产生的信号，A(k)表示信号的幅度值，f_k是第k个子载频的频率。

(1d)用户设备UE将产生的用户探测信号X_i发送给基站。

步骤2，基站根据信噪比计算功率分配系数。

(2a)基站使用全功率传输信号，测量与用户设备UE之间的信噪比SNR_i；

(2b)基站根据NOMA信道特征，当接收端采用串行干扰消除器SIC消除干扰时，得到实际信噪比SNR_i'和测量得到的信噪比SNR_i的关系式如下：

其中，UE_i表示第i个用户设备；

(2c)基站使用fminimax函数的方法计算下述优化函数的值，得到a₁,...,a_i,...,a_n的具体值，其中，优化函数为：

max min{SNR₁',...,SNR_i',...,SNR_n'}

s.t.a₁+...+a_i+...+a_n＝1；

由于密钥生成率与信号传输过程中的信噪比SNR_i'呈正相关，上述优化函数可以使得每个参与群通信的用户设备UE都可达到较高的密钥生成率。

步骤3，基站根据接收信号相位产生基站探测信号，并通过下行链路发送给用户设备UE。

下行链路采用NOMA调制模式；

参照图4，本步骤的具体实现如下：

(3a)基站接收用户设备UE发送的用户探测信号X_i，得到基站接收信号Y_i＝H_iX_i+ω_i，其中，H_i是第i个用户设备UE与基站之间的传输函数矩阵，ω_i是信号传输过程中的噪声向量；

(3b)基站对基站接收信号Y_i进行相位估计，得到基站估计向量其中，表示第i个用户设备UE在第k个子载频上的相位估计值，α_i,k为信号传输过程中由于信道作用导致的相位偏移；

(3c)基站使用基站估计向量计算在不同子载频上的相位值得到相位向量D_i＝{θ_i,1,...,θ_i,k,...,θ_i,D}；

(3d)基站使用相位向量D_i作为初相，产生功率未分配信号X_i'＝{x_i,1'(t),...,x_i,k'(t),...,x_i,D'(t)}，其中，x_i,k'(t)＝A'(k)exp(j2πf_kt+θ_i,k)表示发送给第i个用户设备UE在第k个子载频上的信号，A'(k)表示信号x_i,k'(t)的幅度值；

(3e)基站使用功率分配系数a_i，产生基站探测信号其中，P为基站发送探测信号的总功率；

(3f)基站将产生的基站探测信号S发送给用户设备UE。

步骤4，用户设备UE接收基站探测信号，并根据探测信号相位向量和随机相位值产生公共集合。

(4a)用户设备UE接收基站发送的基站探测信号S，得到用户接收信号Z_i＝H_iS+ω_i'，其中，ω_i'表示基站到第i个用户设备UE之间噪声向量；

(4b)用户设备UE使用串行干扰消除检测器SIC对用户接收信号Z_i进行干扰消除，得到消除干扰后的信号

(4c)用户设备UE对消除干扰后的信号Z_i'进行相位估计得到用户估计向量其中，表示第i个用户设备UE在第k个子载频的上的相位估计值，

由于信道的互易性，信号在上行链路中产生相位偏移和下行链路中产生相位偏移是相等的；

(4d)用户设备UE根据已知的随机相位值φ_i计算公共相位值得到公共集合I_D＝{η₁,...,η_k,...,η_n}。

步骤5，用户设备UE产生群密钥。

(5a)用户设备UE对公共集合I_D中的每个公共值η_k均匀量化为Q个单位，得到量化值b_k(η_k)，其中均匀量化规则如下：

当b_k(η_k)＝l，其中l∈1,...,Q；

在上述量化过程中，用户设备UE对I_D中每个元素量化产生的比特数为b_kbit＝log₂Q，产生的总比特数是b_bit＝Dlog₂Q；

(5b)用户设备UE将量化值b_k(η_k)拼接在一起，得到量化矩阵B＝b₁(η₁)||b₂(η₂)||...||b_k(η_k)||...||b_D(η_D)；

(5c)用户设备UE根据信道特征产生生成矩阵G；

(5d)用户设备UE根据生成矩阵G计算校验矩阵H；

(5e)用户设备UE根据校验矩阵H和量化矩阵B产生码字K作为群密钥，其中，本步骤用LDPC编码器实现。

至此，该D2D通信的群密钥产生过程结束。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制。显然，对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结果的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于物理层的D2D通信群密钥产生方法，包括如下步骤：

(1)参与群通信的n个用户设备UE分别产生随机相位值φ_i，使用这些随机相位值φ_i创建在D个子载频上的用户探测信号X_i，并将其产生的用户探测信号X_i发送给基站，i∈[1,n]，φ_i服从0～2π上的均匀分布；

(2)基站使用全功率传输信号对基站与各个用户设备UE之间的信噪比SNR_i进行测量，并根据信噪比的值计算功率分配系数a₁,...,a_i,...,a_n，其中，a_i表示分配给第i个用户设备UE的功率系数；

(3)基站对接收到的来自各个用户设备UE的用户探测信号X_i进行相位估计，得到基站估计向量根据基站估计向量产生功率未分配信号X_i′，并结合功率分配系数a_i产生基站探测信号S发送给用户设备UE；

(4)用户设备UE接收基站探测信号S，使用串行干扰消除检测器SIC消除干扰，并估计该接收信号的相位，结合随机相位值φ_i求出公共集合I_D；

(5)用户设备UE对公共集合I_D中的每个元素进行均匀量化，再将量化之后的数拼接在一起进行LDPC编码，编码后的值即为群密钥K。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(1)中使用随机相位值φ_i创建在D个子载频上的探测信号X_i，按如下步骤进行：

(1a)用户设备UE将随机相位值φ_i作为探测信号在D个子载频上的初始相位，得到探测信号用户初始相位向量其中，表示第i个用户设备UE在第k个子载频上的初始相位，k∈[1,D]，的值均为φ_i；

(1b)用户设备UE使用用户初始相位向量C_i产生用户探测信号X_i＝{x_i,1(t),...,x_i,k(t),...,x_i,D(t)}，其中，表示第i个用户设备UE在第k个子载频上产生的信号，A(k)表示信号的幅度值，f_k是第k个子载频的频率。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(2)中根据信噪比的值计算功率分配系数a₁,...,a_i,...,a_n，按如下步骤进行：

(2a)基站使用全功率传输信号，测量与用户设备UE之间的信噪比SNR_i；

(2b)基站根据非正交多址接入NOMA信道特征，当接收端采用串行干扰消除器SIC消除干扰时，得到实际信噪比SNR_i′和测量得到的信噪比SNR_i的关系式如下：

UE₁：SNR₁′＝a₁SNR₁，

...

...

其中，UE_i表示第i个用户设备；

(2c)基站使用fminimax函数计算下述优化函数的值，得到a₁,...,a_i,...,a_n的具体值，其中，优化函数为：

max min{SNR₁',...,SNR_i',...,SNR_n'}

s.t.a₁+...+a_i+...+a_n＝1。

4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(3)中基站结合相位估计值产生不同的信号X_i′，并使用功率分配系数a_i产生基站探测信号S，按如下步骤进行：

(3a)基站接收用户设备UE发送的用户探测信号X_i，得到基站接收信号Y_i＝H_iX_i+ω_i，其中，H_i是第i个用户设备UE与基站之间的传输函数矩阵，ω_i是信号传输过程中的噪声向量；

(3b)基站对基站接收信号Y_i进行相位估计，得到基站估计向量其中，表示第i个用户设备UE在第k个子载频上的相位估计值，α_i,k为信号传输过程中由于信道作用导致的相位偏移；

(3c)基站使用基站估计向量计算在不同子载频上的相位值得到相位向量D_i＝{θ_i,1,...,θ_i,k,...,θ_i,D}；

(3d)基站使用相位向量D_i作为初相，产生功率未分配信号X_i′＝{x_i,1′(t),...,x_i,k′(t),...,x_i,D′(t)}，其中，x_i,k′(t)＝A′(k)exp(j2πf_kt+θ_i,k)表示发送给第i个用户设备UE在第k个子载频上的信号，A′(k)表示信号x_i,k′(t)的幅度值，其中f_k是第k个子载频的频率；

(3e)基站使用功率分配系数a_i，产生基站探测信号其中，P为基站发送探测信号的总功率。

5.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(4)中用户设备UE结合随机相位值φ_i求出公共向量I_D，按如下步骤进行：

(4a)用户设备UE接收基站发送的基站探测信号S，得到用户接收信号Z_i＝H_iS+ω_i′，其中，ω_i′表示基站到第i个用户设备UE之间噪声向量，H_i是第i个用户设备UE与基站之间的传输函数矩阵；

(4b)用户设备UE使用串行干扰消除检测器SIC对用户接收信号Z_i进行干扰消除，得到消除干扰后的信号其中P为基站发送探测信号的总功率；

(4c)用户设备UE对消除干扰后的信号Z_i′进行相位估计得到用户估计向量其中，表示第i个用户设备UE在第k个子载频的上的相位估计值，

(4d)用户设备UE根据已知的随机相位值φ_i计算公共相位值得到公共集合I_D＝{η₁,...,η_k,...,η_n}。

6.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(5)中用户设备UE将量化之后的数拼接在一起进行LDPC编码，按如下步骤进行；

(5a)用户设备UE对公共集合I_D中的每个公共相位值η_k进行均匀量化为Q个单位，得到量化值b_k(η_k)，其中均匀量化规则如下：

当时，b_k(η_k)＝l，其中l∈1,...,Q；

(5b)用户设备UE将量化值b_k(η_k)拼接在一起，得到量化矩阵B＝b₁(η₁)||b₂(η₂)||...||b_k(η_k)||...||b_D(η_D)；

(5c)用户设备UE根据信道特征产生生成矩阵G；

(5d)用户设备UE根据生成矩阵G计算校验矩阵H；

(5e)用户设备UE根据校验矩阵H和量化矩阵B产生码字K作为群密钥。