CN110061834A - 一种无线信道指纹生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线通信技术领域，公开了一种无线信道指纹生成方法。包括分别计算通信双方的每个信道频率幅度响应，采用滑动分块量化的方式将各个频率幅度响应值量化为二进制比特流；采用滑动窗的形式对整个比特流进行遍历，滑动窗内为相同的比特则输出对应的比特值，滑动窗内为不同的比特输出未定义状态，丢弃输出序列中未定义状态，通信双方分别形成检索信息集合，包括位置信息及校验信息，通信双方基于检索信息集合通过公开信道进行交互，获取生成指纹的位置检索；根据位置检索，通信双方提取位置上的比特作为初始信道指纹。本发明在信道特征处理、指纹生成协商过程中提出改进，具有更好的指纹生成效率，同时降低了指纹生成过程中的协商资源开销。

Description

一种无线信道指纹生成方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别是一种无线信道指纹生成方法。
背景技术
无线信道指纹利用无线信道特征的互易性、时变性以及与位置的强相关性，在合法用户间生成信道指纹。当前，无线信道指纹生成主要有以下几种方法：(1)基于接收信号强度的指纹生成方法；(2)基于信道幅度响应的指纹生成方法；(3)基于信道相位响应的指纹生成方法等。其中，采用接收信号强度生成信道指纹的方法研究最广泛，但接收信号强度变化缓慢，导致产生的指纹信息量严重不足，相邻两次采集的指纹变化很小，具有安全风险。信道相位响应具有良好的随机性，但相位响应对噪声和干扰都十分敏感，这就使得合法用户间的采集的相位特征具有较大差异，合法用户在指纹一致协商时会消耗大量资源。利用信道幅度响应的指纹生成方法，通过在频域提取信道幅度响应用于生产信道指纹。但目前采用信道幅度响应的方法，在生成指纹的过程中都需要多轮交互，一方面影响生成效率较低，另一方面资源开销也比较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对信道指纹生成效率较低，资源开销较大等问题，提供了一种无线信道指纹生成方法。
本发明采用的技术方案如下：一种无线信道指纹生成方法，具体包括以下过程：
步骤1，分别计算通信双方的每个信道频率幅度响应，采用滑动分块量化的方式将各个频率幅度响应值量化为二进制比特流；
步骤2，采用滑动窗的形式对整个比特流进行遍历，滑动窗内为相同的比特则输出对应的比特值，滑动窗内为不同的比特输出未定义状态，获取输出序列；
步骤3，丢弃输出序列中未定义状态，通信双方分别形成检索信息集合，所述检索信息集合包括位置信息及校验信息，通信双方基于检索信息集合通过公开信道进行交互，获取生成指纹的位置检索；
步骤4，根据位置检索，通信双方提取位置上的比特作为初始信道指纹。
进一步的，所述步骤1的具体过程为：步骤11，通信双方互相发送探测信号，对合法用户间的无线信道进行探测；步骤12，通信双方根据收到的信号yA(t)、yB(t)，通过信道估计计算分别得到信道响应HAB＝[H(f1)H(f2)…H(fN)]、HBA＝[H'(f1)H'(f2)…H'(fN)]，其中N为子载波序号；步骤13，计算每个信道频率幅度响应，得到信道特征信息，通信方A频域幅度响应为|MA|＝[Mf1Mf2…MfN]，通信方 B频域幅度响应为|MB|＝[M'f1M'f2…M'fN]；步骤14，将各个频率幅度响应值量化为二进制比特流。
进一步的，
所述步骤14中，采用分块进行量化，具体过程为：
设定量化的分块大小，在每一个量化块内，采用双门限量化，对量化块内所有子信道的频域幅度响应进行滑动分块量化；
采用双门限量化的方式，舍弃部分采样点换取更高的一致率，量化门限为上门限值 thresholdup，和下门限值thresholddown；
频域幅度响应序列|MA|和|MB|分别进入量化器，量化准则如下：第i个进入量化器的序列|Mi|，如果|Mi|大于上门限值thresholdup，则量化结果为1，如果|Mi|小于下门限值thresholddown，则量化结果为0，位于量化门限之间的值，称为未定义态x，舍去这些未定义值x，利用剩余的比特序列完成后续步骤生成信道指纹。
进一步的，采用滑动分块进行量化后，通信方A和通信方B量化时，完成当前块内量化后，滑动到下一个块内进行量化，直至遍历完整个幅度响应序列。舍弃掉未定义状态x的序列分别为SA和SB，将这两个序列分别称为通信方A和通信方B的初步信道指纹。进一步的，所述步骤2的具体过程为：
步骤21，设定窗口长度为M，选中指纹序列第一位到第M位，若窗内所有比特均为1，则该窗口输出为1，若窗内所有比特均为0，则该窗口输出为0，否则窗口输出为未定义状态x'；步骤22，窗口完成一次输出之后，向后滑动一位，进行相同操作；步骤23，每完成一次滑动完成一次输出，直至遍历整个指纹序列，获取输出序列。
进一步的，所述步骤3的具体过程为：步骤31，将输出序列中的未定义状态x'丢弃，通信方A和通信方B分别形成检索信息集合PA和PB，包括位置信息及校验信息；步骤32，通信双方通过公开信道进行交互，求得检索信息集合PA和PB的交集P＝PA∩PB，交集P为生成指纹的位置检索信息。
进一步的，所述步骤32中，采用分段校验的方式提取位置检索信息：步骤321，通信双方将各自检索位置上的比特分段作为输入，经过校验函数，生成校验信息；步骤322，将校验信息分为M段，每段包含N个位置信息比特，再将位置信息及校验信息一同发送；步骤323，收到位置信息和校验信息后，通信双方对比信息，将M个校验信息逐一进行比对，若相同，则使用该段中包含的N个位置信息，用于提取初始密钥；若不同，则舍去该段位置信息。
进一步的，所述步骤32中，通信双方进行交互过程中采用纠错编码技术。
进一步的，通信双方完成交互后，采用Hash函数进行初始密钥的一致性确认：通信双方分别采用不同的Hash函数来生成初始密钥的哈希值H1(a)和H2(b)，然后交换哈希值以验证初始密钥的一致性；如果哈希值相同，则表示达成协议；否则，在该帧中不产生密钥，对先前产生的密钥某些位置进行移位，并生成新的密钥，即生成初始信道指纹。
进一步的，采用通用Hash函数对初始信道指纹进行隐私放大处理。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本发明的技术方案在信道特征处理、指纹生成协商过程中提出改进，具有更好的指纹生成效率，同时降低了指纹生成过程中的协商资源开销；实现了一种高效的无线信道指纹生成方法。
附图说明
图1是本发明无线信道指纹生成方法示意图。
图2为实施例中双门限量化后，“信道指纹”一致率的变化情况示意图。
图3为实施例中量化剩余比例曲线的变化情况。
图4为实施例中输出前初始信道指纹分布示意图。
图5为实施例中图4的初始信道指纹进行隐私放大处理后的输出结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
为了便于说明，在实施例中通信双方分别命名为Alice、Bob。
如图1所示，一种无线信道指纹生成方法，具体包括以下过程：
(1)步骤1，分别计算Alice和Bob的每个信道频率幅度响应，将各个频率幅度响应值量化为二进制比特流；
所述步骤1的具体过程为：步骤11，Alice和Bob互相发送探测信号x(t)，对合法用户间的无线信道进行探测；步骤12，Alice和Bob根据收到的信号yA(t)、yB(t)，通过信道估计计算分别得到信道响应HAB＝[H(f1)H(f2)…H(fN)]、HBA＝[H’(f1)H’(f2)…H’(fN)]，其中N为子载波序号；步骤13，计算每个信道频率幅度响应，得到信道特征信息，例如图1中A1，A2...A16，Alice频域幅度响应为 |MA|＝[Mf1 Mf2…MfN]，Bob频域幅度响应为|MB|＝[M’f1M’f2…M’fN]；步骤14，将各个频率幅度响应值量化为二进制比特流，图1中0 0 0 1 1 1X...为二进制比特流。
优选地，为了避免量化过程中出现一长串“0”或“1”，采用分块进行量化，具体过程为：
设定量化的分块大小为L，在每一个量化块内，采用双门限量化，对量化块内所有子信道的频域幅度响应求取平均值EM和方差ε2 M：
采用双门限量化的方式，舍弃部分采样点换取更高的一致率，量化门限为：
threholdup＝EM+α·ε2 M
threholddown＝EM-β·ε2 M
α和β称为量化影响因子，通过改变量化因子，调整上下门限之间的间隔，影响生成比特的一致性；序列|MA|和|MB|分别进入量化器，量化准则如下：
其中，x代表处于量化门限之间，未定义的状态。
基于二进制比特流对指纹一致率进行分析：
采用分块进行量化后，假设Alice和Bob量化后，舍弃掉未定义状态x的序列分别为SA和SB，将这两个序列分别称为Alice和Bob的“信道指纹”；在此，定义剩余比例η为舍弃未定义状态x后序列长度与舍弃前序列长度的比值，指纹一致率为量化后合法用户对应位置上，相同比特的数量与信道指纹长度的比值。
图2为双门限量化后，“信道指纹”一致率的变化情况。图3为量化剩余比例曲线的变化情况。其中α为量化因子。由图1和图2可以看出，不同的α下，剩余比例η随信噪比SNR 增加而增加，指纹一致率则随信噪比SNR逐渐提高。此外，对于给定信噪比条件下，剩余比例η随α增加而降低，指纹一致率随α则逐渐提高。这主要是因为随着α增加，量化是舍弃的采样值越多，因此剩余比例η越少，由于α增加导致双门限间隔越大，所以指纹一致率提高。但是，当α增大后，生成的指纹会呈现一长串“1”或“0”。
(2)步骤2，采用滑动窗的形式对整个比特流进行遍历，滑动窗内为相同的比特则输出对应的比特值，滑动窗内为不同的比特输出未定义状态，获取输出序列；
其中，所述步骤2成为滑动窗指纹生成机制，具体过程为：步骤21，设定窗口长度为M，选中指纹序列第一位到第M位，若窗内所有比特均为1，则该窗口输出为1，若窗内所有比特均为0，则该窗口输出为0，否则窗口输出为未定义状态x'；步骤22，窗口完成一次输出之后，向后滑动一位，进行相同操作；步骤23，每完成一次滑动完成一次输出，直至遍历整个指纹序列，获取输出序列。
(3)步骤3，丢弃输出序列中未定义状态，通信双方分别形成检索信息集合，所述检索信息集合包括位置信息及校验信息，通信双方基于检索信息集合通过公开信道进行交互，获取生成指纹的位置检索；
所述步骤3的具体过程为：步骤31，将输出序列中的未定义状态x'丢弃，通信方A和通信方B分别形成检索信息集合PA和PB，包括位置信息及校验信息；步骤32，通信双方通过公开信道进行交互，求得检索信息集合PA和PB的交集P＝PA∩PB，交集P为生成指纹的位置检索信息。
优选地，为了保证通信双方Alice和Bob滑窗生成比特一致，采用分段校验的方式提取位置检索信息：步骤321，Alice和Bob将各自检索位置上的比特分段作为输入，经过校验函数，生成校验信息；步骤322，将校验信息分为M段，每段包含N个位置信息比特，再将位置信息及校验信息一同发送；步骤323，收到位置信息和校验信息后，通信双方对比信息，将M个校验信息逐一进行比对，若相同，则使用该段中包含的N个位置信息，用于提取初始密钥；若不同，则舍去该段位置信息。
优选地，为保证位置信息和校验信息交互时的正确性，需要利用纠错编码技术提高传输的可靠性，以保证双方在交换位置信息时不发生错误传输。
步骤5，根据位置检索，通信双方提取位置上的比特作为初始信道指纹。
优选地，通信双方完成交互后，在Alice和Bob完成位置信息交互后，需要对提出的初始信道密钥进行一致性确实，以保证Alice和Bob双方生成的初始密钥相同。采用Hash函数进行初始密钥的一致性确认：Alice和Bob分别采用不同的Hash函数来生成初始密钥的哈希值H1(a)和H2(b)，然后交换哈希值以验证初始密钥的一致性；如果哈希值相同，则表示达成协议；否则，在该帧中不产生密钥，对先前产生的密钥某些位置进行移位，并生成新的密钥，即生成初始信道指纹。
优选地，Alice和Bob通过每次协商后产生的初始密钥长度不一致，且随机性较差。同时，还需要一种机制来消除在信息协调过程中显示的位置的部分，使得对手不能使用该信息来猜测密钥信息。采用隐私放大的方法可以解决上述问题，用于隐私放大的大多数方法是基于哈希函数，这是一种广泛应用地增强不完美随机源随机性的技术。隐私方法函数可以采用，例如SHA-256、SHA-512、MD5等函数进行隐私放大。输出前初始信道指纹分布如图4所示，本实施例采用SHA-256算法初始信道指纹进行隐私放大处理，输出结果如下图5所示，从图中可以看出，经过隐私放大后的信道指纹相比于图4的初始信道指纹，随机性得到增强，并且输出长度固定，具有良好的可用性。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种无线信道指纹生成方法，其特征在于，具体包括以下过程：
步骤1，分别计算通信双方的每个信道频率幅度响应，采用滑动分块量化的方式将各个频率幅度响应值量化为二进制比特流；
步骤2，采用滑动窗的形式对整个比特流进行遍历，滑动窗内为相同的比特则输出对应的比特值，滑动窗内为不同的比特输出未定义状态，获取输出序列；
步骤3，丢弃输出序列中未定义状态，通信双方分别形成检索信息集合，所述检索信息集合包括位置信息及校验信息，通信双方基于检索信息集合通过公开信道进行交互，获取生成指纹的位置检索；
步骤4，根据位置检索，通信双方提取位置上的比特作为初始信道指纹。
2.如权利要求1所述的无线信道指纹生成方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程为：步骤11，通信双方互相发送探测信号，对合法用户间的无线信道进行探测；步骤12，通信双方根据收到的信号yA(t)、yB(t)，通过信道估计计算分别得到信道响应HAB＝[H(f1) H(f2)…H(fN)]、HBA＝[H'(f1) H'(f2)…H'(fN)]，其中N为子载波序号；步骤13，计算每个信道频率幅度响应，得到信道特征信息，通信方A频域幅度响应为|MA|＝[Mf1 Mf2…MfN]，通信方B频域幅度响应为|MB|＝[M'f1 M'f2…M'fN]；步骤14，采用分块量化的方式，将各个频率幅度响应值量化为二进制比特流。
3.如权利要求2所述的无线信道指纹生成方法，其特征在于，所述步骤14中，采用分块进行量化，具体过程为：
设定量化的分块大小，在每一个量化块内，采用双门限量化，对量化块内所有子信道的频域幅度响应进行滑动分块量化；
采用双门限量化的方式，舍弃部分采样点换取更高的一致率，量化门限为上门限值thresholdup，和下门限值thresholddown；
频域幅度响应序列|MA|和|MB|分别进入量化器，量化准则如下：第i个进入量化器的序列|Mi|，如果|Mi|大于上门限值thresholdup，则量化结果为1，如果|Mi|小于下门限值thresholddown，则量化结果为0，位于量化门限之间的值，称为未定义态x，舍去这些未定义值x，利用剩余的比特序列完成后续步骤生成信道指纹。
4.如权利要求3所述的无线信道指纹生成方法，其特征在于，采用滑动分块进行量化后，通信方A和通信方B量化时，完成当前块内量化后，滑动到下一个块内进行量化，直至遍历完整个幅度响应序列。舍弃掉未定义状态x的序列分别为SA和SB，将这两个序列分别称为通信方A和通信方B的初步信道指纹。
5.如权利要求4所述的无线信道指纹生成方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程为：
步骤21，设定窗口长度为M，选中指纹序列第一位到第M位，若窗内所有比特均为1，则该窗口输出为1，若窗内所有比特均为0，则该窗口输出为0，否则窗口输出为未定义状态x'；步骤22，窗口完成一次输出之后，向后滑动一位，进行相同操作；步骤23，每完成一次滑动完成一次输出，直至遍历整个指纹序列，获取输出序列。
6.如权利要求5所述的无线信道指纹生成方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程为：步骤31，将输出序列中的未定义状态x'丢弃，通信方A和通信方B分别形成检索信息集合PA和PB，包括位置信息及校验信息；步骤32，通信双方通过公开信道进行交互，求得检索信息集合PA和PB的交集P＝PA∩PB，交集P为生成指纹的位置检索信息。
7.如权利要求6所述的无线信道指纹生成方法，其特征在于，所述步骤32中，采用分段校验的方式提取位置检索信息：步骤321，通信双方将各自检索位置上的比特分段作为输入，经过校验函数，生成校验信息；步骤322，将校验信息分为M段，每段包含N个位置信息比特，再将位置信息及校验信息一同发送；步骤323，收到位置信息和校验信息后，通信双方对比信息，将M个校验信息逐一进行比对，若相同，则使用该段中包含的N个位置信息，用于提取初始密钥；若不同，则舍去该段位置信息。
8.如权利要求7所述的无线信道指纹生成方法，其特征在于，所述步骤32中，通信双方进行交互过程中采用纠错编码技术。
9.如权利要求8所述的无线信道指纹生成方法，其特征在于，通信双方完成交互后，采用Hash函数进行初始密钥的一致性确认：通信双方分别采用不同的Hash函数来生成初始密钥的哈希值H1(a)和H2(b)，然后交换哈希值以验证初始密钥的一致性；如果哈希值相同，则表示达成协议；否则，在该帧中不产生密钥，对先前产生的密钥某些位置进行移位，并生成新的密钥，即生成初始信道指纹。
10.如权利要求9所述的无线信道指纹生成方法，其特征在于，采用通用Hash函数对初始信道指纹进行隐私放大处理。
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