CN111147222B - 面向时分双工系统的互易随机源提取方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种面向时分双工系统的互易随机源提取方法及装置，该方法中包含：估计合法通信双方收发信机的相邻上下行子帧信道特征参数序列；提取上下行子帧信道特征参数序列不同探测时隙上的差分信息，以消除上下行探测差异；依据相邻探测时隙上的上下行子帧的差分信息，获取互易信道特征。本发明利用合法双方的收发信机在相邻上下行子帧估计信道特征，分别对自身探测的信道特征序列在时间上做差分运算，消除合法双方之间由于功率控制、收发信机射频通道差异等因素造成的探测参数互易性丢失，获取具有较强互易性的共享随机源，且易于与现有TDD通信系统结合，无需对现有通信架构进行较大更改，具有较强的应用前景。

Description

面向时分双工系统的互易随机源提取方法及装置

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种面向时分双工系统的互易随机源提取方法及装置。

背景技术

电磁波传播的开放性使得无线通信安全威胁始终存在。传统安全手段中通过上层协议以及密码学手段确保无线通信安全，然而近年来不断有新的协议漏洞被发现，随着高性能计算技术的发展，密码安全也受到了严重冲击。而另一方面，随着无线通信技术，特别是移动通信技术的不断演进，通信速率要求飞速提高，这也为通信安全带来了巨大压力。物理层安全技术利用无线信道特征，构建基于用户位置的通信安全体制，弥补无线安全的物理层短板，是对传统安全体系的有利补充。同时，物理层安全技术利用信道的天然随机性，有效降低密码算法的压力，使轻量级、高安全的加密成为可能。物理层安全技术实现的一大关键在于合法通信双方提取互易的随机源，然而在现有无线通信系统中，由于功率控制、收发信机射频通道差异等因素影响，往往难以直接在收发两端提取互易的信号强度、相位等随机信息，大大增加了物理层安全技术的工程实现难度。因此需要结合实际工程特点，给出适合于现有通信系统的互易随机源提取方法。

发明内容

为此，本发明提供一种面向时分双工系统的互易随机源提取方法及装置，通过采用不同时隙间的探测值的差分信息，消除上下行探测差异，易于应用于现有时分双工移动通信系统，具有较强的应用前景。

按照本发明所提供的设计方案，一种面向时分双工系统的互易随机源提取方法，包含如下内容：

估计合法通信双方收发信机的相邻上下行子帧信道特征参数序列；

提取上下行子帧信道特征参数序列不同探测时隙上的差分信息，以消除上下行探测差异；

依据相邻探测时隙上的上下行子帧的差分信息，获取互易信道特征。

作为本发明面向时分双工系统的互易随机源提取方法，进一步地，设定探测时隙序列，该探测时隙序列中设定不同探测时隙间隔；根据探测时隙序列中不同探测时隙，估计合法通信双方收发信机的相邻上下行子帧信道特征参数序列。

作为本发明面向时分双工系统的互易随机源提取方法，进一步地，依据无线信道相位及基站设备产生的初始相位偏移，估计在探测时隙上的上行信道相位；依据无线信道、终端设备产生的初始相位偏移及基站对发送信号预均衡产生的相位偏移，估计在探测时隙上的下行信道相位。

作为本发明面向时分双工系统的互易随机源提取方法，进一步地，不同探测时隙，估计合法通信双方收发信机的信道特征参数序列时，信道估计所选导频位置相同。

作为本发明面向时分双工系统的互易随机源提取方法，进一步地，相邻探测时隙，上行子帧差分信息利用上行信道相位差分值表示，下行子帧差分信息利用下行信道相位差分值表示。

作为本发明面向时分双工系统的互易随机源提取方法，进一步地，上行信道相位差分值表示为：Δ_U＝φ₂-φ₁，下行信道相位差分值表示为：Δ_D＝φ₂-φ₁+(ω₂-ω₁)，其中，φ₁、φ₂分别表示相邻探测时隙无线信道相位，ω₁、ω₂分别表示为终端在与相邻探测时隙相邻的下行子帧探测时基站对发送信号预均衡产生的相位偏移，且ω₂-ω₁基站已知。

作为本发明面向时分双工系统的互易随机源提取方法，进一步地，将上行信道相位差分值加上ω₂-ω₁基站已知信息，及下行信道相位差分值作为合法通信双方的互易信道特征。

作为本发明面向时分双工系统的互易随机源提取方法，进一步地，相邻探测时隙的上行子帧为同一帧中两个上(下)行子帧，或为不同帧中的两个上(下)行子帧。

作为本发明面向时分双工系统的互易随机源提取方法，进一步地，若为多载波系统，则选取相对应子载波进行基站与终端上下行信道估计；选取子载波时，可选取单一子载波，或复数子载波。

进一步地，本发明还提供一种面向时分双工系统的互易随机源提取装置，包含：参数估计模块、差分提取模块和特征获取模块，其中，

参数估计模块，用于估计合法通信双方收发信机的相邻上下行子帧信道特征参数序列；

差分提取模块，用于提取上下行子帧信道特征参数序列不同探测时隙上的差分信息，以消除上下行探测差异；

特征获取模块，用于依据相邻探测时隙上的上下行子帧的差分信息，获取互易信道特征。

本发明的有益效果：

本发明利用合法双方的收发信机在相邻上下行子帧估计信道特征，分别对自身探测的信道特征序列在时间上做差分运算，消除合法双方之间由于功率控制、收发信机射频通道差异等因素造成的探测参数互易性丢失，获取具有较强互易性的共享随机源，便于产生相似比特流，供共享密钥或干扰序列等工程应用的实现；且易于与现有TDD通信系统结合，无需对现有通信架构进行较大更改，可利用通信中已有的导频自然完成互易随机源共享，将差分信息作为互易随机源，在不降低性能的条件下，有效消除由于器件特性差异、收发信机开启时间差异等原因造成的随机源探测差异，具有较强的应用前景。

附图说明：

图1为实施例中互易随机源提取方法示意图；

图2为实施例中互易随机源提取装置示意图；

图3为实施例中上下行子帧位置关系示意；

图4为实施例中结合上下行子帧示意中的互易随机源提取流程图；

图5为实施例中TDD系统的帧结构举例示意图；

图6为实施例中在TDD系统中获取互易随机源的流程实现。

具体实施方式：

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚、明白，下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明。

物理层安全技术实现的一大关键在于合法通信双方提取互易的随机源。本发明实施例中，参见图1所示，提供一种面向时分双工系统的互易随机源提取方法，包含如下内容：

S101)估计合法通信双方收发信机的相邻上下行子帧信道特征参数序列；

S102)提取上下行子帧信道特征参数序列不同探测时隙上的差分信息，以消除上下行探测差异；

S103)依据相邻探测时隙上的上下行子帧的差分信息，获取互易信道特征。

利用合法双方的收发信机在相邻上下行子帧估计信道特征，分别对自身探测的信道特征序列在时间上做差分运算，消除合法双方之间由于功率控制、收发信机射频通道差异等因素造成的探测参数互易性丢失，获取具有较强互易性的共享随机源。

作为本发明实施例中的面向时分双工系统的互易随机源提取方法，进一步地，设定探测时隙序列，该探测时隙序列中设定不同探测时隙间隔；根据探测时隙序列中不同探测时隙，估计合法通信双方收发信机的相邻上下行子帧信道特征参数序列。探测时隙间隔可为在时间上存在先后顺序的随机时间序列。

作为本发明实施例中的面向时分双工系统的互易随机源提取方法，进一步地，依据无线信道相位及基站设备产生的初始相位偏移，估计在探测时隙上的上行信道相位；依据无线信道、终端设备产生的初始相位偏移及基站对发送信号预均衡产生的相位偏移，估计在探测时隙上的下行信道相位。

作为本发明实施例中的面向时分双工系统的互易随机源提取方法，进一步地，不同探测时隙，估计合法通信双方收发信机的相邻上子帧信道特征参数序列时，信道估计所选导频位置相同。

作为本发明实施例中的面向时分双工系统的互易随机源提取方法，进一步地，相邻探测时隙，上行子帧差分信息利用上行信道相位差分值表示，下行子帧差分信息利用下行信道相位差分值表示。

作为本发明实施例中的面向时分双工系统的互易随机源提取方法，进一步地，上行信道相位差分值表示为：Δ_U＝φ₂-φ₁，下行信道相位差分值表示为：Δ_D＝φ₂-φ₁+(ω₂-ω₁)，其中，φ₁、φ₂分别表示相邻探测时隙无线信道相位，ω₁、ω₂分别表示为终端在与相邻探测时隙相邻的下行子帧探测时基站对发送信号预均衡产生的相位偏移，且ω₂-ω₁基站已知。

作为本发明实施例中的面向时分双工系统的互易随机源提取方法，进一步地，将上行信道相位差分值加上ω₂-ω₁基站已知信息，及下行信道相位差分值作为合法通信双方的互易信道特征。

作为本发明实施例中的面向时分双工系统的互易随机源提取方法，进一步地，相邻探测时隙的上行子帧为同一帧中两个上行子帧，或为不同帧中的两个上行子帧。

作为本发明实施例中的面向时分双工系统的互易随机源提取方法，进一步地，若为多载波系统，则选取相对应子载波进行基站与终端上下行信道估计；选取子载波时，可选取单一子载波，或复数子载波。

进一步地，本发明实施例还提供一种面向时分双工系统的互易随机源提取装置，参见图2所示，包含：参数估计模块、差分提取模块和特征获取模块，其中，

参数估计模块，用于估计合法通信双方收发信机的相邻上下行子帧信道特征参数序列；

差分提取模块，用于提取上下行子帧信道特征参数序列不同探测时隙上的差分信息，以消除上下行探测差异；

特征获取模块，用于依据相邻探测时隙上的上下行子帧的差分信息，获取互易信道特征。

通过采用不同时隙间的探测值的差分信息，消除上下行探测差异，易于应用于现有TDD移动通信系统。

下面结合具体实例对本发明技术方案做进一步解释说明：

参见图3所示的上下行子帧位置示意，图4中的具体实现过程可描述如下：

步骤1：基站在上行子帧①估计上行信道相位θ_U1＝φ₁+ψ_U。其中φ₁为无线信道相位，ψ_U为基站器件产生的初始相位偏移；

步骤2：终端在与步骤1中所述上行子帧序号相邻的下行子帧②估计下行信道相位θ_D1＝φ₁+ψ_D+ω₁。其中φ₁为无线信道相位，ψ_D为终端器件产生的初始相位偏移，ω₁为基站对发送信号预均衡而产生的相位偏移；

步骤3：基站在上行子帧③估计上行信道相位θ_U2＝φ₂+ψ_U。其中φ₂为无线信道相位，ψ_U为基站器件产生的初始相位偏移。信道估计导频位置应与步骤1中信道估计所选导频位置相同；

步骤4：终端在与步骤3中所述上行子帧序号相邻的下行子帧④估计下行信道相位θ_D2＝φ₂+ψ_D+ω₂。其中φ₂为无线信道相位，ψ_D为终端器件产生的初始相位偏移，ω₂为基站对发送信号预均衡而产生的相位偏移；

步骤5：基站根据两次上行信道估计，可计算得到上行信道相位差分值Δ_U＝θ_U2-θ_U1＝φ₂-φ₁。同样，终端根据两次下行信道估计，可计算得到下行信道相位差分值Δ_D＝θ_D2-θ_D1＝φ₂-φ₁+(ω₂-ω₁)。由于ω₂-ω₁基站已知，因此基站与终端可将Δ_U+(ω₂-ω₁)与Δ_D作为互易信道特征；

步骤6：如需获取更多互易特征值，可从步骤1重新开始。

结合图5给出的时分双工系统上下行子帧分配方式为例，参见图6所示，进一步说明本发明技术方案如下：

S101：基站选取一个或数个接收信噪比较高的子载波，在上行子帧2估计上行信道相位θ_U1＝φ₁+ψ_U。其中φ₁为无线信道相位，ψ_U为基站器件产生的初始相位偏移；

S102：终端选取子载波与基站相同，在下行子帧3估计下行信道相位θ_D1＝φ₁+ψ_D+ω₁。其中φ₁为无线信道相位，ψ_D为终端器件产生的初始相位偏移，ω₁为基站对发送信号预均衡而产生的相位偏移；

S103：基站选取与S101中相同的子载波，在上行子帧7估计上行信道相位θ_U2＝φ₂+ψ_U。其中φ₂为无线信道相位，ψ_U为基站器件产生的初始相位偏移。信道估计导频位置应与步骤1中信道估计所选导频位置相同；

S104：终端选取子载波与基站相同，在与S103中所述上行子帧序号相邻的下行子帧8估计下行信道相位θ_D2＝φ₂+ψ_D+ω₂。其中φ₂为无线信道相位，ψ_D为终端器件产生的初始相位偏移，ω₂为基站对发送信号预均衡而产生的相位偏移；

S105：基站根据两次上行信道估计，可计算得到上行信道相位差分值Δ_U＝θ_U2-θ_U1＝φ₂-φ₁。同样，终端根据两次下行信道估计，可计算得到下行信道相位差分值Δ_D＝θ_D2-θ_D1＝φ₂-φ₁+(ω₂-ω₁)。由于ω₂-ω₁基站已知，因此基站与终端可将Δ_U+(ω₂-ω₁)与Δ_D作为互易信道特征；

S106：如需获取更多互易特征值，可从步骤S101重新开始。

相对于传统的密钥生成方案，本发明方案易于与现有时分双工通信系统结合，无需对现有通信架构进行较大更改，可利用通信中已有的导频自然完成互易随机源共享；将差分信息作为互易随机源，在不降低性能的条件下，有效消除由于器件特性差异、收发信机开启时间差异等原因造成的探测差异，具有较强的应用前景。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。

基于上述的方法，本发明实施例还提供一种服务器，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现上述的方法。

基于上述的方法，本发明实施例还提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现上述的方法。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种面向时分双工系统的互易随机源提取方法，其特征在于，包含：

估计合法通信双方收发信机的相邻上下行子帧信道特征参数序列；

提取上下行子帧信道特征参数序列不同探测时隙上的差分信息，以消除上下行探测差异；

依据相邻探测时隙上的上下行子帧的差分信息，获取互易信道特征；

相邻探测时隙，上行子帧差分信息利用上行信道相位差分值表示，下行子帧差分信息利用下行信道相位差分值表示；

上行信道相位差分值表示为：Δ_U＝φ₂-φ₁，下行信道相位差分值表示为：Δ_D＝φ₂-φ₁+(ω₂-ω₁)，其中，φ₁、φ₂分别表示相邻探测时隙无线信道相位，ω₁、ω₂分别表示为终端在与相邻探测时隙相邻的下行子帧探测时基站对发送信号预均衡产生的相位偏移，且ω₂-ω₁基站已知；

将上行信道相位差分值加上ω₂-ω₁基站已知信息，及下行信道相位差分值作为合法通信双方的互易信道特征，以利用通信中已有的导频完成互易随机源共享；

相邻探测时隙的上行子帧为同一帧中两个上/下行子帧，或为不同帧中的两个上/下行子帧；

若为多载波系统，则选取相对应子载波进行基站与终端上下行信道估计；选取子载波时，可选取单一子载波，或复数子载波。

2.根据权利要求1所述的面向时分双工系统的互易随机源提取方法，其特征在于，设定探测时隙序列，该探测时隙序列中设定不同探测时隙间隔；根据探测时隙序列中不同探测时隙，估计合法通信双方收发信机的相邻上下行子帧信道特征参数序列。

3.根据权利要求2所述的面向时分双工系统的互易随机源提取方法，其特征在于，依据无线信道相位及基站设备产生的初始相位偏移，估计在探测时隙上的上行信道相位；依据无线信道、终端设备产生的初始相位偏移及基站对发送信号预均衡产生的相位偏移，估计在探测时隙上的下行信道相位。

4.根据权利要求2所述的面向时分双工系统的互易随机源提取方法，其特征在于，不同探测时隙，估计合法通信双方收发信机信道特征参数序列时，信道估计所选导频位置相同。

5.一种面向时分双工系统的互易随机源提取装置，其特征在于，基于权利要求1所述的方法实现，包含：参数估计模块、差分提取模块和特征获取模块，其中，

参数估计模块，用于估计合法通信双方收发信机的相邻上下行子帧信道特征参数序列；

差分提取模块，用于提取上下行子帧信道特征参数序列不同探测时隙上的差分信息，以消除上下行探测差异；

特征获取模块，用于依据相邻探测时隙上的上下行子帧的差分信息，获取互易信道特征。

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