CN111404587B - 一种基于共轭预编码的多用户mimo对称信道特征获取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于共轭预编码的多用户MIMO对称信道特征获取方法，用户终端选择一根天线发送一段具有高随机性的私有信息给基站设备，基站设备将接收到的信号进行共轭预编码，再叠加上自己的私有信息，发送给用户终端。通过本发明方法，通信双方可以得到对称的、融合了双方私有信息的无线信道特征，从而生成具有高随机性的、对称的密钥。将私有信息作为信道探测信号可以避免导频攻击，同时提高所生成密钥的随机性和更新速率；通过共轭预编码，基站设备不需要估计信道状态信息也能获得多天线阵列的聚焦效果，用户终端可以检验整个信号交互过程是否受到攻击或干扰。本发明可以提高用无线信道特征生成密钥技术的安全性和可靠性。

Description

一种基于共轭预编码的多用户MIMO对称信道特征获取方法
技术领域
本发明涉及一种对称信道特征获取方法，尤其涉及一种基于共轭预编码的多用户MIMO对称信道特征获取方法。
背景技术
多用户MIMO是5G的核心技术之一，通过在基站使用大量天线实现信道容量的大幅增长，可以在同一频段上同时服务多个用户。相应地，基于天线阵列的聚焦效果，用户终端设备只需要配备少量天线，降低了用户终端的成本和功耗。
由于无线信道的开放性，无线通信系统容易受到窃听和攻击。基于无线信道特征生成密钥是一种物理层安全技术。由于无线信道具有短时互易性，通信双方可以从相互测量的信道特征里提取对称密钥，节省了传统密钥分发的开销，降低了密钥泄露的风险。
在多用户MIMO系统中，如果通信双方使用已知的导频信号进行信道探测，很容易受到攻击者的导频污染攻击，导致密钥泄露或合法用户测得的密钥不一致。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的方法。通信双方发送的不是已知的导频信号，而是各自生成的私有密钥信息。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。
多天线阵列的聚焦效果使得合法用户接收到的信号能量远高于其它位置的用户，降低了被窃听的风险，能量增益的幅度由天线数量决定。大部分的天线聚焦/波束成形技术都需要基站对信道状态信息有准确的估计，因此合法用户必须发送已知的导频信号进行信道探测。时间反演技术(time reversal)提出，基站对信道状态信息进行估计以后，可以把信道状态信息进行时间反演来对要发送的信号做预编码，使得发送的信号聚焦于合法用户。等增益传输技术(equal gain transmission)是时间反演技术的一个简化版本，基站只估计信道的相位，只使用相位信息做预编码。最大比传输技术(maximum ratiotransmission)实现起来最复杂，使用所有天线的信道信息Hm,m＝1,...,M的组合
Figure RE-GDA0002478410250000011
做为预编码，但这种方法的能量增益最高。这三种技术可以被归类为共轭预编码技术，利用信道信息的共轭进行预编码以达到天线聚焦的效果。在专利申请 201711079973.9中，申请者提出了一种基于时间反演技术的信息安全传输方法，利用其空间聚焦性来减小信息被截获的可能性，同时在发送序列中加入干扰信息，对窃听方造成干扰。该方法是一种安全传输信息的方法，并没有考虑到通信双方基于信道互易性生成密钥的场景，并且也是使用已知的导频信号来估计信道状态信息。
在专利申请201711077668.6中，申请者提出了一种基于时间反演技术的毫米波大规模MIMO抗干扰传输技术，通过优化时间反演预滤波器来最小化用户间的干扰，提升信道容量。该方法是一种提升通信系统容量的预编码方法，也没有考虑通信双方基于信道互易性生成密钥的场景。
MIMO系统多天线阵列的聚焦效果使得无线信道多径衰落的影响被降低，导致通信双方测量得到的无线信道特征趋于平坦，降低了所生成密钥的随机性。在专利申请201910695714.1中，申请者提出了一种用于MIMO系统的自适应对称无线信道特征获取方法，通信双方分别进行自适应天线选择来得到利于生成密钥的无线信道特征的组合。该方法主要利用多天线的空间多样性来提升密钥的随机性和更新速率，并没有利用多天线阵列的聚焦效果。
发明内容
发明目的：本发明提出一种融合通信双方私有信息的无线信道特征从而生成高随机性对称密钥的方法。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所述的基于共轭预编码的多用户MIMO对称信道特征获取方法，该多用户MIMO包括含有M根天线B1,B2…BM的基站设备B、含有Nk根天线的K个用户终端设备U1,U2…UK，M和K分别大于或等于1；其对称信道特征获取方法包括如下步骤：
(1)用户终端设备Uk选择Nk根天线中的某一根天线，向基站设备B通过随机数发生器发送一段私有信息P；
(2)基站设备B通过M根天线接收用户终端设备Uk发来的M路信号X＝ [X1,X2…XM]；
(3)基站设备B选择M根天线中的R根天线，R小于或等于M，合并R路用户信号X(1),X(2)…X(R)，得到
Figure RE-GDA0002478410250000021
其中Wr为实数，Wr的值由所采用的共轭预编码决定；
(4)基站设备B生成私有信息Q，对应
Figure RE-GDA0002478410250000022
使用所选出的R根天线向用户终端设备Uk发送信号
Figure RE-GDA0002478410250000023
其中
Figure RE-GDA0002478410250000024
表示
Figure RE-GDA0002478410250000031
的相位信息，
Figure RE-GDA0002478410250000032
为X(r)的共轭，r＝1,2,...,R；
(5)用户终端设备Uk接收基站设备B发来的信号Y；
(6)基站设备B得到融合了用户终端设备Uk和基站设备B的私有信息的信道特征
Figure RE-GDA0002478410250000033
(7)用户终端设备Uk根据接收到的信号Y和自己的私有信息P，基于信道的互易性，得到对称的信道特征PY，
Figure RE-GDA0002478410250000034
进一步地，所述多用户MIMO含有Nk根天线，Nk为1或2。
进一步地，步骤(3)中，所述基站设备B选择M根天线中的R根天线具体为：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。
优选地，步骤(3)中，所述Wr的值由所采用的共轭预编码决定包括以下情况：
当采用时间反演技术时，Wr＝|X(r)|；
当采用等增益传输技术时，Wr＝1；
当采用最大比传输技术时，
Figure RE-GDA0002478410250000035
进一步地，步骤(4)中，所述私有信息Q为：通过随机性检测方法选择，由随机数发生器生成的随机信息中的一段使得信道特征
Figure RE-GDA0002478410250000036
量化后生成的密钥的随机性最高的信息。
进一步地，所述随机信息为将随机数二进制比特或通过格蕾编码转化为的格雷码符号。
进一步地，步骤(4)中，所述私有信息Q的相位变化遵从一定的规律，所述规律包括：Q的相位保持不变，或者Q的相位以一定的幅度连续变化，或者Q的相位每隔几个符号改变一次，所述符号为模拟信号经过采样后得到的数字符号。
进一步地，所述步骤(7)包括：用户终端设备Uk通过查看对称的信道特征PY的相位变化是否遵从一定的规律来判断整个信号交互过程是否受到攻击或干扰，所述规律包括：PY的相位保持不变，或者PY的相位以一定的幅度连续变化，或者PY的相位每隔几个符号改变一次，所述符号为模拟信号经过采样后得到的数字符号。
有益效果：本发明具有以下有益效果：
1.基站将接收到的信号直接进行共轭预编码，不需要估计信道状态信息也能得到多天线阵列的聚焦效果；
2.由于基站不估计信道状态信息，用户终端可以选择具有高随机性的私有信息作为信道探测信号，避免了导频污染攻击，同时提高了所生成密钥的随机性和更新速率；
3.基于多天线阵列的聚焦效果，用户终端可以根据接收到的信号判断整个信号交互过程，即用户发送信道探测信号和基站发送信道探测信号的过程，是否受到攻击或干扰。
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，用户及潜在攻击者传输的通用模型；
图3是用户设备对基站设备发送信号的传输示意图；
图4是基站设备对用户设备发送信号的传输示意图；
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Uk及潜在攻击者的通用模型。本发明需要基站设备B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，用户终端设备Uk包含了Nk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Kf个可以调制信息的子载波。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，即用户对基站发送信号探测无线信道，基站选择信道探测天线通道，基站对用户发送信号，基站和用户生成对称的无线信道特征。其实施的整体流程如图1所示。
1.用户对基站发送信号
用户终端设备Uk每次和基站设备B进行无线信道探测时，从Nk根天线中选择1根天线，然后生成一段具有高随机性的私有信息P。对于可用的Kf个OFDM子载波，可以在每个子载波上发送P中的不同符号，即第一个子载波发送P的第一个符号，第二个子载波发送P的第二个符号，以此类推。根据所需密钥长度的不同，P的长度Lp为128或更长，如果Lp>Kf，则需要Lp/Kf个符号时间来完成私有信息P的发送。在不失通用性的前提下，这里假设Lp可以被Kf整除。用户终端设备Uk用所选择的天线将P发送出去。
无线信道响应具有随机性和时变性，对于单载波系统，用户终端设备Uk发送P需要Lp个符号时间，基站设备B发送信号也需要Lp个符号时间，为了保证2Lp个符号时间的总长度小于信道相干时间，可以酌情使用多门限量化技术，使每个符号对应多个比特，相应地缩短P的长度。如果每个符号对应4个比特，则P的长度可以变为Lp/4。由于在发送P和接收Y时分别使用了多天线接收和多天线聚焦技术，接收到的信号信噪比都很高，并且用户终端设备Uk可以根据接收到的Y验证信号P是否被正确传输，所以多门限量化技术的可靠性得到了保障。
用户终端设备Uk发送的私有信息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，所以可以收到用户终端设备Uk发来的M路信号X＝ [X1,X2…XM]。每一路信道探测信号Xm的长度为Lp/Kf个符号。每个符号时间内Xm在每个子载波上的值都不同，为了叙述的简便，我们只讨论一个符号时间内一个子载波上的信道探测信号，其结果对Lp/Kf个符号时间内所有Kf个子载波上的信号都适用。因此在之后的叙述中，会用P指代P中的符号，而不会标出具体是P中的哪一个符号。
因此，这M路信道探测信号的具体构成如下：
Figure RE-GDA0002478410250000051
Figure RE-GDA0002478410250000052
其中，
Figure RE-GDA0002478410250000053
代表了从用户所选择的1根天线到基站的第m根天线的无线信道响应。
Figure RE-GDA0002478410250000054
在每个子载波上的值都不同，导致了Xm在每个子载波上的值都不同。为了叙述的简便，这里不会标出具体是哪一个子载波，但该表达式对所有Kf个子载波都适用。
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根天线作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通过计算选择出具有较高随机性的
Figure RE-GDA0002478410250000055
序列(序列的长度为Lp)，选择这组合所对应的R根天线。其中Wr为实数，Wr的值由所采用的共轭预编码决定，使用时间反演技术时，Wr＝|X(r)|，使用等增益传输技术时，Wr＝1，使用最大比传输技术时，
Figure RE-GDA0002478410250000056
在具体实施方式中的OFDM系统中，基站设备B将所有Kf个子载波，Lp/Kf个符号时间内的信号重新组合为长度为Lp的
Figure RE-GDA0002478410250000061
序列，即得到融合了用户私有信息和无线信道特征的一串具有随机性的测量结果：
Figure RE-GDA0002478410250000062
基站设备B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，也可以在每个符号时间都重新进行一次天线的选择和组合。
3.基站对用户发送信号
基站根据所使用的
Figure RE-GDA0002478410250000063
序列，生成长度为Lp的私有信息Q，使得信道特征
Figure RE-GDA0002478410250000064
的随机性较高；私有信息Q的相位变化遵从一定的规律(可以让Q的相位保持不变，也可以让Q的相位以一定的幅度连续变化等)，使得用户终端设备Uk可以通过查看信道特征PY的相位(在无干扰情况下等于Q的相位)来检查整个信号交互过程是否受到攻击或干扰。
基站设备B将私有信息Q与经过了共轭预编码的用户信道探测信号X相乘，用所选择的R根天线向用户终端设备Uk发送信号
Figure RE-GDA0002478410250000065
基站发送的信号S经过无线信道的传输，被用户终端设备Uk所接收。用户终端设备Uk有Nk根天线，只选择发送P所使用的那根天线，接收到的信号为Y，如图4所示。
用户接收到的信号Y的具体构成如下
Figure RE-GDA0002478410250000066
其中，
Figure RE-GDA0002478410250000067
代表了从基站所选择的第r根天线到用户所选择的一根天线的无线信道响应。
4.基站及用户生成对称的无线信道特征
基站将所使用的
Figure RE-GDA0002478410250000068
序列与私有信息Q相乘，得到最终的无线信道特征
Figure RE-GDA0002478410250000069
其具体操作为：
Figure RE-GDA00024784102500000610
Figure RE-GDA0002478410250000071
生成的
Figure RE-GDA0002478410250000072
即为用户终端设备Uk到基站设备B的最终信道特征。
用户终端设备Uk将接收到的信号Y乘上自己的私有信息P后得到最终的无线信道特征
Figure RE-GDA0002478410250000073
其具体操作为：
Figure RE-GDA0002478410250000074
生成的
Figure RE-GDA0002478410250000075
即为基站设备B到用户终端设备Uk的最终信道特征。该过程的示意图如图5所示。
当用户终端设备和基站设备进行信道探测的时间足够短，即用户发送信道探测信号和基站发送信道探测信号的时间小于信道的相干时间，基于无线信道的短时互易性，
Figure RE-GDA0002478410250000076
和
Figure RE-GDA0002478410250000077
可以近似看作相等，由此可以得出
Figure RE-GDA0002478410250000078
与
Figure RE-GDA0002478410250000079
近似相等，即用户终端设备Uk和基站设备B可以获得对称的无线信道特征，从而生成对称的密钥。

Claims (6)

1.一种基于共轭预编码的多用户MIMO对称信道特征获取方法，该多用户MIMO包括含有M根天线B1，B2…BM的基站设备B、含有Nk根天线的K个用户终端设备U1，U2…UK，M和K分别大于或等于1；其特征在于，该方法包括步骤：
(1)用户终端设备Uk选择Nk根天线中的某一根天线，向基站设备B通过随机数发生器发送一段私有信息P；
(2)基站设备B通过M根天线接收用户终端设备Uk发来的M路信号X＝[X1，X2…XM]；
(3)基站设备B选择M根天线中的R根天线，R小于或等于M，合并R路用户信号X(1)，X(2)…X(R)，得到
Figure FDA0003450476210000011
其中Wr为实数，Wr的值由所采用的共轭预编码决定；
(4)基站设备B生成私有信息Q，对应
Figure FDA0003450476210000012
使用所选出的R根天线向用户终端设备Uk发送信号
Figure FDA0003450476210000013
其中
Figure FDA0003450476210000014
表示
Figure FDA0003450476210000015
的相位信息，
Figure FDA0003450476210000016
为X(r)的共轭，r=1，2，...，R；所述私有信息Q的相位变化遵从一定的规律，所述规律包括：Q的相位保持不变，或者Q的相位以一定的幅度连续变化，或者Q的相位每隔几个符号改变一次，所述符号为模拟信号经过采样后得到的数字符号；
(5)用户终端设备Uk接收基站设备B发来的信号Y；
(6)基站设备B得到融合了用户终端设备Uk和基站设备B的私有信息的信道特征
Figure FDA0003450476210000017
(7)用户终端设备Uk根据接收到的信号Y和自己的私有信息P，基于信道的互易性，得到对称的信道特征PY，
Figure FDA0003450476210000018
用户终端设备Uk通过查看对称的信道特征PY的相位变化是否遵从一定的规律来判断整个信号交互过程是否受到攻击或干扰，所述规律包括：PY的相位保持不变，或者PY的相位以一定的幅度连续变化，或者PY的相位每隔几个符号改变一次，所述符号为模拟信号经过采样后得到的数字符号。
2.根据权利要求1所述的基于共轭预编码的多用户MIMO对称信道特征获取方法，其特征在于，所述多用户MIMO含有Nk根天线，Nk为1或2。
3.根据权利要求1所述的基于共轭预编码的多用户MIMO对称信道特征获取方法，其特征在于，步骤(3)中，所述基站设备B选择M根天线中的R根天线具体为：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所述的基于共轭预编码的多用户MIMO对称信道特征获取方法，其特征在于，步骤(3)中，所述Wr的值由所采用的共轭预编码决定包括以下情况：
当采用时间反演技术时，Wr＝|X(r)|；
当采用等增益传输技术时，Wr＝1；
当采用最大比传输技术时，
Figure FDA0003450476210000021
5.根据权利要求1所述的基于共轭预编码的多用户MIMO对称信道特征获取方法，其特征在于，步骤(4)中，所述私有信息Q为：通过随机性检测方法选择，由随机数发生器生成的随机信息中的一段使得信道特征
Figure FDA0003450476210000022
量化后生成的密钥的随机性最高的信息。
6.根据权利要求5所述的基于共轭预编码的多用户MIMO对称信道特征获取方法，其特征在于：所述随机信息为将随机数二进制比特或通过格蕾编码转化为的格雷码符号。
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