CN109039962B - 一种基于路径相位差分的频分双工系统互易信道参数构建方法 - Google Patents

一种基于路径相位差分的频分双工系统互易信道参数构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于路径相位差分的频分双工系统互易信道参数构建方法，包括通信双方分别对各自估计的信道状态信息进行多径分离；分别获得每一条路径的幅度与相位；分别对每一条路径的相位进行时域差分；分别对差分后的相位按照门限进行补偿；分别对幅度与差分补偿后的相位进行频率修正，获得互易的信道参数。通过本发明的方法可以在频分双工系统中获得互易的信道参数，适用于在频分双工系统下生成基于无线信道特征的一致密钥等具体应用，具备高度安全性。

Description

一种基于路径相位差分的频分双工系统互易信道参数构建 方法
技术领域
本申请涉及无线通信及信息加密领域，尤其涉及频分双工系统中互易信道增益的构建方法。
背景技术
信号在无线信道中传播主要通过三种基本方式：反射、衍射和散射。无线信道对信号的影响，总结起来可以归纳为三类：多径衰落、路径损耗和阴影衰落。信号在无线信道中通过不同的路径传播而到达接收端，多径信号的干涉也会引起信号功率的变化，称为多径衰落。由发射功率向外的辐射扩散以及信道的传播特性所导致的损耗称为路径损耗。由于发射端和接收端之间的障碍物对信号进行吸收、反射等而造成的功率衰减，称为阴影衰落。路径损耗和阴影衰落都是信号在较大传输距离上发生的功率变化，因此也叫做大尺度传播效应。而多径衰落一般发生在波长数量级的较小距离上，所以也叫做小尺度传播效应。大尺度衰落模型描述的是信号强度随着发射接收距离和障碍物而发生的慢变化，它不仅与时间有关，还与收发距离和载波频率等因素有关。而小尺度衰落模型描述得是在非常短的距离或时间间隔内接收信号强度发生的快速改变。接收的多径信号，如果同相会彼此叠加，否则会相互抵消，因此导致接收信号的幅度和相位剧烈变化。
根据电磁波的传播理论，尽管当上下行频率间隔较小时，传播路径大致相同，但是每条路径上的幅度与相位都是频率相关的，需要修正以获得互易的信道参数。多径效应的时延特性使得每条路径上的幅度和相位随着频率的不同而变化，各条路径的电场度会随时间而变化，故到达接收点的各分量场之间的相位关系也是随时间而变化的。这些分量场的随机干涉，形成总的接收场的衰落。各分量之间的相位关系对不同的频率是不同的。
无线信道密钥生成技术从物理层的角度，解决传统安全方案中密钥分发的难题，这一技术需要合法接收者可以从上下行的信道中提取具备高度相似性的信道参数转化为相同的密钥。然而，在频分双工系统中，由于上下行信道的频率间隔较大，信道响应的差异非常大，难以获得一致的信道参数。现有技术存在一种通过假设频分双工模式下上下行信道的到达角和多径时延是互易的，可以用于生成对称密钥。然而在实际系统中，角度与时延的时变性不高并且很难准确估计，因此该文章提出的信道互易参数构建方法不具有很高的可行性。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术中频分双工系统中上下行信道不互易的问题，本发明提供一种基于路径相位差分的频分双工系统互易信道参数构建方法。
技术方案：一种基于路径相位差分的频分双工系统互易信道参数构建方法，包括以下步骤：
步骤一：通信双方同时分别在两个频段上互相发送已知导频信号，并分别通过信道估计获取信道增益；
步骤二：通信双方分别对各自信道增益的估计结果进行多径分离，计算多条路径及每条路径上的幅度与相位；
步骤三：通信双方分别对每条路径上的相位在时域进行差分，得到差分相位；
步骤四：通信双方分别对每条路径上的差分相位进行补偿；
步骤五：通信双方分别对每条路径上的幅度以及补偿后的差分相位进行频率修正，并将修正后的幅度与相位系数组合为向量，得到互易的信道参数。
进一步的，步骤一中信道估计的方法包括时域信道估计、频域信道估计。
进一步的，步骤一中，通信双方包括第一通信方和第二通信方，第一通信方在第一频率上向第二通信方发送已知导频信号，同时第二通信方在第二频率上向第一通信方发送相同的导频信号；第二通信方接收第一通信方发送的导频信号后估计频率一的信道，第一通信方接收第二通信方发送的导频信号后估计频率二的信道。
进一步的，步骤二中的多径分离方法包括宽带系统中的多径分离方法和多天线系统中的多径分离方法。
进一步的，步骤三中，差分相位是第一通信方与第二通信方分别对同一条路径的相位在相邻时间采样得到的结果作差分获得。
进一步的，步骤四中，差分相位进行补偿的方法为第一通信方与第二通信方分别对差分相位加/减2π使得补偿后相位的绝对值小于等于π。
进一步的，步骤五中，对幅度进行频率修正的方法为对每条路径上的幅度除以fγ，其中f是载频，γ是一个常数因子。
进一步的，步骤五中，对补偿后的差分相位进行频率修正的方法为对每条路径上补偿后的差分相位乘以α/f，其中f是载频，α是一个常数因子。
有益效果：本发明提供一种基于路径相位差分的频分双工系统互易信道参数构建方法，相比较现有技术，能够有效改善频分双工系统互易信道参数这一领域内的技术研究欠缺的现状，同时为频分双工系统下基于无线信道特征值的一致性密钥生成的可行性方案提供了技术支持前提。
本发明依据电磁波在传播过程的大尺度以及小尺度参数与载波频率之间的关系，将频分双工系统中上下行链路的信道估计结果在不同路径上进行分离，并对每条路径上的幅度与相位进行修正处理，有效构建了互易的信道参数，解决了频分双工系统中上下行信道不互易的难题。
本发明针对每一条路径中的相位与频率的关系较为复杂的问题，通过时域差分的方法去除初始相位，并对差分过程中由于相位的周期性造成的跳变点进行了补偿，再进一步去除其对频率的依赖性，得到互易的相位参数。此外，本发明在构建互易信道参数的过程中通信双方并无泄露任何信息，窃听者无法获得相同的信道参数。因此，在本发明基础上将该互易的信道增益转化为密钥的无线信道密钥生成方案具备高度安全性。
本发明提出的一种基于路径相位差分的频分双工系统互易信道参数构建方法，适用于多天线和宽带无线频分双工系统。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明的方法与原始数据的甲乙信道参数互易性对比图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
本实施例中，基于路径相位差分的频分双工系统互易信道参数构建方法提供频分双工系统中互易的幅度与相位参数的实现途径。如图1所示，本发明的方法主要包括四个步骤，即信道增益多径分离、幅度及相位估计、频率修正和互易信道参数构成。下面针对每一部分进行详细的说明。
步骤一：为表述方便，定义甲和乙为宽带正交频分复用(OFDM)系统中的合法通信双方，即第一通信方和第二通信方。首先，甲在频段f1上向乙发送已知导频信号，同时，乙在频段f2上向甲发送已知导频信号。乙接收甲发送的导频信号后估计频率f1的信道，甲接收乙发送的导频信号后估计频率f2的信道。
定义
Figure BDA0001743459380000031
和
Figure BDA0001743459380000032
分别为甲和乙根据信道估计等方法探测到的第t时刻，第l子载波上的信道增益。
步骤二：甲和乙分别利用傅里叶变换将各自的频域信道增益
Figure BDA0001743459380000033
和
Figure BDA0001743459380000034
变换到延时域，得到
Figure BDA0001743459380000035
Figure BDA0001743459380000036
其中n∈{1,2,…,L}，L为子载波个数。当
Figure BDA0001743459380000041
时，则认为
Figure BDA0001743459380000042
为一条有效路径。同样地，当
Figure BDA0001743459380000043
时，则认为
Figure BDA0001743459380000044
为一条有效路径。多径分离方法包括宽带系统中的多径分离方法和多天线系统中的多径分离方法。
甲和乙分别从分离的多径信道增益中计算出每条路径的幅度与相位，其中第n条路径的幅度分别为
Figure BDA0001743459380000045
相位则分别为
Figure BDA0001743459380000046
如此，甲得到幅度与相位的集合
Figure BDA0001743459380000047
同样地，乙得到幅度与相位的集合
Figure BDA0001743459380000048
步骤三：甲乙分别将相邻时刻的相位在时域进行差分，得到差分相位：ΔθA(t,f2)＝θA(t+Δt,f2)-θA(t,f2)和ΔθB(t,f1)＝θB(t+Δt,f1)-θA(t,f1)。
步骤四：甲乙分别对ΔθA(t,f2)和ΔθB(t,f1)进行补偿处理，满足
Figure BDA0001743459380000049
和
Figure BDA00017434593800000410
Figure BDA00017434593800000411
该补偿是为了避免因为估算得到的相位是模2π的结果，造成差分结果中出现大的跳变。
步骤五：通信双方分别对每条路径上的幅度以及补偿后的差分相位进行频率修正，得到互易的信道参数。
每条路径上的信道增益频率修正的具体步骤如下：首先，甲和乙分别对各自的幅度进行系数修正
Figure BDA00017434593800000412
修正后的幅度满足
Figure BDA00017434593800000413
接着，甲和乙按照以下步骤对相位进行系数修正：
甲和乙分别对各自补偿后的相位进行修正
Figure BDA0001743459380000051
其中α是一个常数因子，可以通过经验获得。修正后的相位满足φA(t)≈φB(t)。
最后，甲和乙将修正后的幅度与相位系数组合为具备高度相似性的向量
Figure BDA0001743459380000052
和
Figure BDA0001743459380000053
得到互易的信道参数，可以用于生成对称的密钥。
图2为原始数据的甲乙信道参数的互易性与利用该方法产生的信道参数的互易性的对比图，可以明显看出通过本实施例产生的信道参数的互易性较好。

Claims (7)

1.一种基于路径相位差分的频分双工系统互易信道参数构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：通信双方同时分别在两个频段上互相发送已知导频信号，并分别通过信道估计获取信道增益；
步骤二：通信双方分别对各自信道增益的估计结果进行多径分离，计算多条路径及每条路径上的幅度与相位；
步骤三：通信双方分别对每条路径上的相位在时域进行差分，得到差分相位；
步骤四：通信双方分别对每条路径上的差分相位进行补偿；
所述步骤四中，差分相位进行补偿的方法为第一通信方与第二通信方分别对差分相位加/减2π使得补偿后相位的绝对值小于等于π；
步骤五：通信双方分别对每条路径上的幅度以及补偿后的差分相位进行频率修正，并将修正后的幅度与相位系数组合为向量，得到互易的信道参数。
2.根据权利要求1所述的基于路径相位差分的频分双工系统互易信道参数构建方法，其特征在于，步骤一中信道估计的方法包括时域信道估计、频域信道估计。
3.根据权利要求1所述的基于路径相位差分的频分双工系统互易信道参数构建方法，其特征在于，步骤一中，通信双方包括第一通信方和第二通信方，第一通信方在第一频率上向第二通信方发送已知导频信号，同时第二通信方在第二频率上向第一通信方发送相同的导频信号；第二通信方接收第一通信方发送的导频信号后估计频率一的信道，第一通信方接收第二通信方发送的导频信号后估计频率二的信道。
4.根据权利要求1所述的基于路径相位差分的频分双工系统互易信道参数构建方法，其特征在于，步骤二中的多径分离方法包括宽带系统中的多径分离方法和多天线系统中的多径分离方法。
5.根据权利要求3所述的基于路径相位差分的频分双工系统互易信道参数构建方法，其特征在于，步骤三中，差分相位是第一通信方与第二通信方分别对同一条路径的相位在相邻时间采样得到的结果作差分获得。
6.根据权利要求1所述的基于路径相位差分的频分双工系统互易信道参数构建方法，其特征在于，步骤五中，对幅度进行频率修正的方法为对每条路径上的幅度除以fγ，其中f是载频，γ是一个常数因子。
7.根据权利要求1所述的基于路径相位差分的频分双工系统互易信道参数构建方法，其特征在于，步骤五中，对补偿后的差分相位进行频率修正的方法为对每条路径上补偿后的差分相位乘以α/f，其中f是载频，α是一个常数因子。
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