CN110418341A - 一种用于mimo系统的自适应对称无线信道特征获取方法 - Google Patents

一种用于mimo系统的自适应对称无线信道特征获取方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于MIMO系统的自适应对称无线信道特征获取方法，包括步骤：首先，用户终端U选择自身N根天线中的S根并发送信道探测信号P。基站B用M根天线接收U发来的探测信号X；其次，基站B以不同的策略选择R根天线并发送其设计的信道探测信号Q；用户终端U再接收到基站B发来的N路信道探测信号Y；最后，基站B合并信道探测信号X中的R路信号和信道探测信号Q，得到用户终端U到基站B的信道特征；用户终端U根据所选的S根天线，合并信道探测信号Y中的S路信号和信道探测信号P，得到基站B到用户终端U的信道特征。本发明所获得的多维度信道特征可提高所生成密钥的随机性，并降低被窃听的风险，增强了基于无线信道特征的物理层密钥生成技术的安全性。

Description

一种用于MIMO系统的自适应对称无线信道特征获取方法
技术领域
本发明涉及信息安全领域，尤其涉及一种供MIMO系统使用的自适应对称无线信道特征获取方法。
背景技术
在物理层安全领域，通信双方可以基于相互测量的无线信道特征生成对称的密钥。该密钥可以用于保护通信系统的安全。然而，在通信双方相对位置固定，环境变化也较弱的情况下，通信双方测量得到的无线信道特征具有显著的固定性，从而影响密钥更新的速率。
MIMO通信系统利用多天线的空间多样性来提高信道容量，当天线数量不断增多时，多径衰落的影响被降低，导致测量得到的无线信道特征趋于平坦。然而，在基于无线信道特征的密钥生成系统中，需要利用无线信道的变化生成具有高随机性的密钥，平坦的无线信道特征不利于密钥的生成。因此，通信双方可以基于一些私有的信息，增加无线信道的随机性。如在专利申请201510155460.6中，申请者提出了一种在单天线体制下融合通信双方的私有信息进行共享密钥安全通信的方法。然而，该方法主要针对单天线OFDM系统的子载波进行预编码，并没有考虑到多天线MIMO的应用场景。在MIMO通信系统中，由于通信双方拥有多个天线，可以基于多天线的空间多样性获得多维的无线信道特征。为了降低天线间相关性对所生成密钥的随机性的影响，在《MIMO信道下密钥生成技术和协议研究》(宋淑男，2018)中，研究了基于天线间相关性的天线选择方法。然而，这些方法主要是基站设备根据某些特定标准对天线测量结果进行天线选择，并没有考虑到通信双方基于仅各自知道的天线测量结果进行自适应天线选择的方案。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种适用于MIMO系统的自适应对称无线信道特征获取方法。
技术方案：本发明所述的一种MIMO系统，包括含有M根天线B1,B2…BM的基站设备B、含有N根天线U1,U2…UN的用户终端设备U，M、N至少有一个大于1；其自适应对称无线信道特征获取方法包括以下步骤：
(1)用户终端设备U根据策略从N根天线中选择S根天线，同时发送其信道探测信号P＝[P1,P2…PS]，S≥1；
(2)基站设备B通过M根天线接收用户终端设备U发来的M路用户信道探测信号X＝[X1,X2…XM]；
(3)基站设备B可以采用不同于用户终端的设备U采用的策略选择M根天线中的R根天线，从接收到的用户信道探测信号X中选出R路用户信道探测信号X(1),X(2)…X(R)，同时使用选出的R根天线发送基站设计的信道探测信号Q＝[Q1,Q2…QR]；
(4)用户终端设备U通过N根天线接收基站设备B发来的N路信道探测信号Y＝[Y1,Y2…YN]；
(5)基站设备B根据所选的R根天线，合并R路用户信道探测信号X(1),X(2)…X(R)和信道探测信号Q，得到信道探测信号获得用户终端设备U到基站设备B的信道特征；
(6)用户终端设备U根据自己选择的S根天线，合并S路信道探测信号Y1,Y2…YS和信道探测信号P，得到信道探测信号获得基站设备B到用户终端设备U的信道特征。
进一步地，步骤(1)中，所述用户终端设备U的信道探测信号P可以是简单的信道探测导频信号，也可以是用户针对每一根天线分别设计的预编码信道探测信号。
进一步地，步骤(3)中，所述策略为：基站设备B随机选择M根天线中的R根天线；或基于M根天线测量的结果[X1,X2…XM]，选择R根天线组合，使得合并后的信道探测信号更具备一定的随机变化性。
进一步地，步骤(3)中，所述信道探测信号Q可以是简单的信道探测导频信号，也可以是基站针对每一根天线分别设计的预编码信道探测信号。
进一步地，步骤(5)具体包括：
(51)基站设备B将选择的每一路信号X(r)乘上对应的预编码信道探测信号Qr，r＝1,…,R；
(52)将步骤(51)中得到的所有乘积结果相加，得到合并后的信道探测信号
(53)从信道探测信号中获得的信道特征为用户终端设备U到基站设备B的信道特征。
进一步地，步骤(6)具体包括：
(61)用户终端设备U将选择的每一路信号Y(s)乘上对应的预编码信道探测信号Ps，s＝1,…,S；
(62)将所有的结果相加，得到合并后的信道探测信号
(63)从信道探测信号中获得的信道特征为基站设备B到用户终端设备U的信道特征。
有益效果：本发明具有以下有益效果：
1、利用多天线的多维度信道特征来提高所生成密钥的随机性；
2、通信双方分别选择若干利于生成密钥的无线信道特征的组合，具体的选择结果和所选择的天线数量都不固定，且只有自己知道，降低了被第三方窃听的风险，增强了在MIMO通信系统中基于无线信道特征生成的密钥的安全性；
3、在信道特征相对固定的情况(如通信双方相对位置固定，环境变化较弱的情况)下，通过改变天线的组合来改变用于生成密钥的信道特征，从而提高密钥的更新速率。
附图说明
图1是本发明的整体流程图；
图2是本发明的基站及用户传输的通用模型；
图3是用户设备对基站设备发射信号的传输示意图；
图4是基站设备对用户设备发射信号的传输示意图；
图5是基站设备及用户设备生成无线信道特征的示意图。
具体实施方式
如图2，其示出了本发明的基站设备B和用户终端设备U的通用模型。本发明需要基站设备B和用户终端设备U至少有一方具有多天线。为了不失通用性，基站设备B包含了B1,B2…BM共M根天线，用户设备U包含了U1,U2…UN共N根天线。
在本具体实施方式中，通信双方采用OFDM(正交频分复用技术)调制发射信号，其每一个OFDM符号上共有K个可以调制信息的子载波。k为子载波序号，每个子载波可以看作是一个在频谱上相对独立的窄带信道。通信双方在传输数据前先进行双方无线信道探测，获得对称的无线信道特征。该信道特征可以为通信双方生成对称的密钥。无线信道探测的过程分为四个部分，即用户对基站发射信号探测无线信道，基站选择信道探测天线通道，基站对用户发射信号探测无线信道，基站和用户生成无线信道特征。其实施的整体流程如图1所示。
1.用户对基站发射信号
用户终端设备U每次和基站设备B进行无线信道探测时，根据策略从N根天线中选择S根天线，生成其自定义的信道探测信号P＝[P1,P2…PS]。策略可以是每次随机选择天线，或是选择与上一次所选完全不同的天线，或是选择信道状况较好的天线等，视具体需求而定。针对所选择的每一根发射天线U(s)，s＝1,2,…S，其信道探测信号为Ps，则其每个子载波上的信号都可以自定义其幅度和相位信息。因此，用户选择的每一根天线以及每一个子载波的信道探测信号都是可以自定义不同的幅度和相位信息。该生成的信道探测信号具有随机性，且只有用户终端知道。用户终端将信道探测信号P在各自对应的天线上同时将信号发射出去。
用户发射的信道探测信号P经过无线信道的传输，被基站设备B所接收。由于基站设备B有M根天线，所以可以收到用户发来的M路信道探测信号X＝[X1,X2…XM]。对于每一路信道探测信号Xm,其在每个子载波上的值都不同，即因此，在每个独立的子载波k上，这M路信道探测信号的具体构成如下
其中，代表了在子载波k上，从用户所选择的第s根天线到基站的第m根天线的无线信道响应。
该过程的传输示意图如图3所示。
2.基站选择信道探测天线通道
基站设备B根据接收到的用户信道探测信号X，从中可以选择R根天线做为其获取用户到基站无线信道特征的信道信息。基站设备B可以采用不同的策略选择R根天线。其策略可以有如下两种：
(1)基站设备B在M根天线中，随机的选择R根天线；
(2)基站设备B在从M根天线中接收到的信道探测信号X中，通过计算选择出与之前的测量结果相比，或与其它子载波的测量结果相比，具有较高随机性的R路通道组合，选择这组合所对应的R根天线。
无线信道响应具有随机性和快速时变性，在具体实施方式中的OFDM系统中，每个独立的子载波k上都可测得一个无线信道特征从而生成一串具有随机性的测量结果。通过有策略地进行天线的选择和组合可以加强测量结果的随机性，然而，若将所有天线的测量结果叠加到一起则不利于测量结果的随机性。
对于单载波系统，通过以大于信道相干时间的间隔进行多次测量也可以生成一串具有随机性的测量结果。通过有策略地进行天线的选择和组合可以加强测量结果的随机性。
3.基站对用户发射信号
如图4所示，类似于用户终端的信号处理，基站针对所选择的R根天线中的每一根天线，生成其自定义的信道探测信号Q＝[Q1,Q2…QR]。针对所选择的每一根发射天线B(r)，r＝1,2,…R，其信道探测信号为Qr，则其每个子载波上的信号可以自定义其幅度和相位信息。因此，基站生成的每一根天线以及每一个子载波的信道探测信号都是可以自定义不同的幅度和相位信息。该生成的信道探测信号具有随机性，且只有基站设备自己知道。基站将信道探测信号Q在各自对应的天线上同时将信号发射出去。
基站发射的信道探测信号Q经过无线信道的传输，被用户设备所接收。由于用户设备有N根天线，所以可以收到基站发来的N路信道探测信号Y＝[Y1,Y2…YN]。其中，在每个独立的子载波k上，这N路信道探测信号的具体构成如下
其中，代表了在子载波k上，从基站所选择的第r根天线到用户的第n根天线的无线信道响应。
4.基站及用户生成无线信道特征
如图5所示，基站在收到用户发来的M路信道探测信号X＝[X1,X2…XM]中将自己选择的R根天线的信道响应值X(1),X(2)…X(R)乘上自己生成的信道探测信号Q后得到最终的无线信道特征。在每个独立的子载波k上，其具体操作为：
因此，每个独立的子载波k上都可测得一个无线信道特征在K个子载波上生成的最终无线信道特征即为用户终端设备U到基站设备B的信道特征。
用户在收到基站发来的N路信道探测信号Y＝[Y1,Y2…YN]中将自己选择的S根天线的信道响应值Y(1),Y(2)…Y(S)乘上自己预先生成的信道探测信号P后得到最终的无线信道特征。在每个独立的子载波k上，其具体操作为：
因此，每个独立的子载波k上都可测得一个无线信道特征在K个子载波上生成的最终无线信道特征即为基站设备B到用户终端设备U的信道特征。
当用户终端和基站设备进行信道探测的时间间隔足够短，即信道探测信号P与Q的发射间隔小于信道的相干时间，基于无线信道的短时互易性，和可以近似看作相等，由此可以得出与近似相等，即用户终端设备U和基站设备B可以获得对称的无线信道特征。由于用户和基站都可以基于不同的策略在每次进行无线信道特征测量时都进行不同的S和R天线选择，并自定义相应的信道探测信号P和Q，因此，该技术在实际无线通信中，可以产生具有较高随机性的密钥，即使通信双方的无线信道保持静止，也可以在每一次测量中获得不一样的无线信道特征。

Claims (6)

1.一种用于MIMO系统的自适应对称无线信道特征获取方法，该MIMO系统包括含有M根天线B1，B2…BM的基站设备B、含有N根天线U1，U2…UN的用户终端设备U，M、N至少有一个大于1；其特征在于，所述对称无线信道特征获取方法包括以下步骤：
(1)用户终端设备U根据策略从N根天线中选择S根天线，同时发送其信道探测信号P＝[P1，P2…PS]，S≥1；
(2)基站设备B通过M根天线接收用户终端设备U发来的M路用户信道探测信号X＝[X1，X2…XM]；
(3)基站设备B可以采用不同于用户终端的设备U采用的策略选择M根天线中的R根天线，从接收到的用户信道探测信号X中选出R路用户信道探测信号X(1)，X(2)…X(R)，同时使用选出的R根天线发送基站设计的信道探测信号Q＝[Q1，Q2…QR]；
(4)用户终端设备U通过N根天线接收基站设备B发来的N路信道探测信号Y＝[Y1，Y2…YN]；
(5)基站设备B根据所选的R根天线，合并R路用户信道探测信号X(1)，X(2)…X(R)和信道探测信号Q，得到信道探测信号获得用户终端设备U到基站设备B的信道特征；
(6)用户终端设备U根据自己选择的S根天线，合并S路信道探测信号Y1，Y2...YS和信道探测信号P，得到信道探测信号获得基站设备B到用户终端设备U的信道特征。
2.根据权利要求1所述的用于MIMO系统的自适应对称无线信道特征获取方法，其特征在于：步骤(1)中，所述用户终端设备U的信道探测信号P可以是简单的信道探测导频信号，也可以是用户针对每一根天线分别设计的预编码信道探测信号。
3.根据权利要求1所述的用于MIMO系统的自适应对称无线信道特征获取方法，其特征在于：步骤(3)中，所述策略为：基站设备B随机选择M根天线中的R根天线；或基于M根天线测量的结果[X1，X2…XM]，选择R根天线组合。
4.根据权利要求1所述的用于MIMO系统的自适应对称无线信道特征获取方法，其特征在于：步骤(3)中，所述信道探测信号Q可以是简单的信道探测导频信号，也可以是基站针对每一根天线分别设计的预编码信道探测信号。
5.根据权利要求1所述的用于MIMO系统的自适应对称无线信道特征获取方法，其特征在于，步骤(5)具体包括：
(51)基站设备B将选择的每一路信号X(r)乘上对应的预编码信道探测信号Qr，r＝1，…，R；
(52)将步骤(51)中得到的所有乘积结果相加，得到合并后的信道探测信号
(53)从信道探测信号中获得的信道特征为用户终端设备U到基站设备B的信道特征。
6.根据权利要求1所述的用于MIMO系统的自适应对称无线信道特征获取方法，其特征在于，步骤(6)具体包括：
(61)用户终端设备U将选择的每一路信号Y(s)乘上对应的预编码信道探测信号Ps，s＝1，...，S；
(62)将所有的结果相加，得到合并后的信道探测信号
(63)从信道探测信号中获得的信道特征为基站设备B到用户终端设备U的信道特征。
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