CN115150232A - 一种高互易性信道特征提取方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高互易性信道特征提取方法和系统，方法应用于基于WIFI协议通信的至少两个通信节点，包括：各通信节点分别根据接收的交互帧进行信道估计，得到信道状态信息；所述交互帧为：两个通信节点之间基于WIFI协议通信，生成的包含WIFI控制帧的一对上、下行帧；各通信节点分别对所述信道状态信息进行处理，得到幅度信息和相位信息，对信道的幅度信息和相位信息进行量化，进而得到互易的上、下行信道特征。本发明提高了两个通信节点之间上、下行信道特征的互易性，可用于生成无线信道密钥，并提高密钥生成速率以及密钥生成的一致率。
Description
技术领域
本发明涉及信息安全技术领域，尤其涉及一种高互易性信道特征提取方法和系统。
背景技术
物理层密钥生成技术利用了无线信道特征具有的随机性、短时互易性和地理空间位置唯一性，得到了国内外的广泛关注。根据无线信道的互易性，通信双方同一时间同一频率发送的信号将经历相同的衰落特性。在时分双工系统中，若通信双方的导频发送时间差不超过相干时间，双方之间的信道高度相关，而任何一个距离通信双方半个波长之外的第三方观测到的信道都与该信道相关性极低。因而，通信双方利用以上时分双工系统中的无线信道特性作为天然的随机源生成密钥，解决了传统私钥加密的密钥分配和管理困难的问题。
然而，近些年实际搭建的时分双工系统的实验结果指出，在基于商用现货(COTS)设备搭建的实际系统中，受到时间间隔、硬件指纹和测量噪声等因素的影响，通信双方生成的密钥一致性较差，这些问题将严重影响到无线信道密钥生成方案的实际应用。例如，Liu等人在“Fast and practical secret key extraction by exploiting channelresponse”一文中，采用英特尔WiFi Link 5300网卡的数据帧交互来测量信道。由于WiFi协议CSMA/CA工作机制存在的信道竞争流程，导致即使在补偿了硬件指纹造成的影响后，WiFi数据帧之间毫秒级甚至更长时间的不确定性时间间隔仍将导致上、下行信道特征互易性不足，使得最终的密钥生成速率和一致率较低。
互易性是模拟量的相似度，是在一定的相干时间内，上、下行信道特征的一致性，指的是上、下行信道之间幅度信息之间的相似度，以及相位信息之间的相似度。
发明内容
发明目的：针对现有技术中的问题，本发明提供了一种高互易性信道特征提取方法和系统，解决了现有信道特征提取方法中上、下行WiFi数据帧间隔时间过长导致上、下行信道特征互易性不足，进而导致后续的密钥生成速率和一致率较低的问题。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：一种高互易性信道特征提取方法，应用于基于WIFI协议通信的至少两个通信节点，包括：
各通信节点分别根据接收的交互帧进行信道估计，得到信道状态信息；所述交互帧为：两个通信节点之间基于WIFI协议通信，生成的包含WIFI控制帧的一对上、下行帧；
各通信节点分别对所述信道状态信息进行处理，得到幅度信息和相位信息，对信道的幅度信息和相位信息进行量化，进而得到互易的上、下行信道特征。
进一步地，所述交互帧具有确定性时间间隔，通过包含WIFI控制帧的交互流程生成。
进一步地，所述WIFI控制帧为：请求发送帧RTS、清除发送帧CTS、确认帧ACK或节能轮询帧PS-POLL。
进一步地，所述包含WIFI控制帧的交互流程为：请求数据发送交互流程、直接数据发送交互流程或节能轮询交互流程。
进一步地，所述交互帧为：
确定性间隔时间为LenDATA+SIFS的交互帧{DATA，ACK}；
确定性间隔时间为LenRTS+SIFS的交互帧{RTS，CTS}；
确定性间隔时间为LenCTS+SIFS的交互帧{CTS，DATA}；
或确定性间隔时间为LenPS-POLL+SIFS的交互帧{PS-POLL，DATA}；
所述LenDATA为数据帧DATA的持续时间，LenRTS为请求发送帧的持续时间，LenCTS为清除发送帧的持续时间，LenPS-POLL为节能轮询帧的持续时间，SIFS为短帧间间隔。
进一步地，根据交互帧前导码中的包含若干子载波的长训练序列进行信道估计，得到对应的子载波上的信道状态信息。
进一步地，所述得到幅度信息和相位信息，包括：
各通信节点分别对各自估计的信道状态信息的幅度部分进行能量归一化处理，得到平均能量一致的上、下行信道幅度信息；
各通信节点分别对各自估计的信道状态信息的相位部分进行相位展开和中心化处理，得到平均相位为零的上、下行信道相位信息。
一种高互易性信道特征提取系统，包括：基于WIFI协议通信的至少两个通信节点，其中，各个通信节点包括：
信道估计模块，用于分别根据接收的交互帧进行信道估计，得到信道状态信息；所述交互帧为：两个通信节点之间基于WIFI协议通信，生成的包含WIFI控制帧的一对上、下行帧；
特征提取模块，用于分别对所述信道状态信息进行处理，得到幅度信息和相位信息，对信道的幅度信息和相位信息进行量化，进而得到互易的上、下行信道特征。
进一步地，所述交互帧具有确定性时间间隔，通过包含WIFI控制帧的交互流程生成。
进一步地，所述WIFI控制帧为：请求发送帧RTS、清除发送帧CTS、确认帧ACK或节能轮询帧PS-POLL。
进一步地，所述包含WIFI控制帧的交互流程为：请求数据发送交互流程、直接数据发送交互流程或节能轮询交互流程。
进一步地，所述交互帧为：
间隔时间为LenDATA+SIFS的交互帧{DATA，ACK}；
间隔时间为LenRTS+SIFS的交互帧{RTS，CTS}；
间隔时间为LenCTS+SIFS的交互帧{CTS，DATA}；
或间隔时间为LenPS-POLL+SIFS的交互帧{PS-POLL，DATA}；
所述LenDATA为数据帧DATA的持续时间，LenRTS为请求发送帧的持续时间，LenCTS为清除发送帧的持续时间，LenPS-POLL为节能轮询帧的持续时间，SIFS为短帧间间隔。
有益效果：本发明通过在各个通信节点中根据其接收到的包含WIFI控制帧的交互帧，进行信道估计，得到信道状态信息，再对信道状态信息进行处理得到幅度和相位信息，进一步量化后，得到高互易性的上、下行信道特征。通过本发明方法提高了两个通信节点之间上、下行信道特征的互易性，可用于生成无线信道密钥，并提高密钥生成速率以及密钥生成的一致率。
附图说明
图1为本发明实施例中的一种信道特征提取方法流程图；
图2为本发明实施例中的一种信道特征提取系统结构示意图；
图3为本发明的实施例中的AP和STA之间的上、下行信号交互流程和时间间隔图；
图4为本发明实施例中AP和STA收到的相邻DATA帧和ACK帧的信道状态信息幅值；
图5为本发明实施例中AP和STA收到的相邻DATA帧和DATA帧的信道状态信息幅值；
图6为本发明实施例中AP和STA收到的相邻DATA帧和ACK帧的信道状态信息相对相位；
图7为本发明实施例中AP和STA收到的相邻DATA帧和DATA帧的信道状态信息相对相位；
图8为本发明实施例中AP和STA在不同量化阶数下不同上、下行信道特征的一致率。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的一种高互易性信道特征提取方法和系统做进一步的说明和解释。
本发明所述通信节点可以为接入点、终端等通信节点，对通信节点的具体类型不做限定。通信节点之间进行通信可以为接入点与终端之间进行通信，也可以为终端与终端之间进行通信，本发明对此不做限定。
实施例1：
如附图1所示，一种高互易性信道特征提取方法，应用于基于WIFI协议通信的至少两个通信节点，包括以下步骤：
步骤1，各通信节点分别根据接收的交互帧进行信道估计，得到信道状态信息；所述交互帧为：两个通信节点之间基于WIFI协议通信，生成的包含WIFI控制帧的一对上、下行帧；
步骤2，各通信节点分别对所述信道状态信息进行处理，得到幅度信息和相位信息，对信道的幅度信息和相位信息进行量化，进而得到互易的上、下行信道特征。
本发明通过在各个通信节点中根据其接收到的包含WIFI控制帧的交互帧，进行信道估计，得到信道状态信息，再对信道状态信息进行处理得到幅度和相位信息，进一步量化后，得到高互易性的上、下行信道特征。本发明由于采用包含WIFI控制帧的交互帧，可以产生微秒级确定性时间间隔，大幅降低上、下行交互信号时间间隔，提高了两个通信节点之间上、下行信道特征的互易性，可用于生成无线信道密钥，并提高密钥生成速率以及密钥生成的一致率。
基于WIFI协议通信包括至少两个通信节点，如一个接入点与多个终端之间进行WIFI协议通信；本实施例中仅通过两个通信节点进行说明，两个通信节点分别为接入点和终端，以下通过接入点和终端来描述该特征提取方法的具体过程。
进一步地，所述交互帧具有确定性时间间隔，通过包含WIFI控制帧的交互流程生成。
接入点和终端之间通过包含WIFI控制帧的交互流程，生成确定性时间间隔的包含WIFI控制帧的一对上、下行帧。其中，所述WIFI控制帧用于控制确定性时间间隔为微秒级时间间隔。
设置WiFi网络的接入点AP与终端STA，分别初始化后建立WiFi连接；不同WIFI具有自己的上电初始化设置方案，本实施例中不对初始化方案做具体限制。AP，Access Point，也就是无线接入点，是一个无线网络的创建者，是网络的中心节点。一般家庭或办公室使用的无线路由器就一个AP。STA，Station，每一个连接到无线网络中的终端，如笔记本电脑、PDA及其它可以联网的用户设备都可称为一个站点。
进一步地，所述WiFi控制帧主要指请求发送帧RTS帧(Request To Send)、清除发送帧CTS(Clear To Send)帧、确认帧ACK帧(Acknowledge)以及节能轮询帧PS-POLL(PowerSaving Polling)帧。其中，节能轮询帧PS-POLL只有在终端与接入点之间通信时才会出现。
进一步地，包含WIFI控制帧的交互流程为：请求数据发送交互流程、直接数据发送交互流程或节能轮询交互流程。
进一步地，具有的确定性时间间隔的交互帧为：
确定性间隔时间为LenDATA+SIFS的交互帧{DATA，ACK}；
确定性间隔时间分别为LenRTS+SIFS的交互帧{RTS，CTS}；
确定性间隔时间为LenCTS+SIFS的交互帧{CTS，DATA}；
或确定性间隔时间为LenPS-POLL+SIFS的交互帧{PS-POLL，DATA}；
所述LenDATA为数据帧的持续时间，LenRTS为请求发送帧的持续时间，LenCTS为清除发送帧的持续时间，LenPS-POLL为节能轮询帧的持续时间，SIFS(Short Interframe Space)为短帧间间隔。
具体地，AP和STA之间通过包含WiFi控制帧的典型工作流程，产生微秒级确定性时间间隔的交互帧Frame_AP和Frame_STA；
AP和STA之间通过包含WiFi控制帧的典型工作流程主要包含以下三种交互流程：请求数据发送交互流程(RTS+CTS+DATA+ACK)、直接数据发送交互流程(DATA+ACK)和节能轮询交互流程(PS-POLL+DATA+ACK)，在交互过程中，三种交互流程择一使用或组合使用。其中，DATA为数据帧。
通过这三种典型工作流程可以获得以下四种微秒级确定性时间间隔的交互帧：
1)间隔时间为LenDATA+SIFS的交互帧{DATA，ACK}，其中LenDATA代表数据帧(DATA)的持续时间，SIFS代表短帧间间隔，这对交互帧在实际的WiFi网络中出现最频繁；
2)间隔时间为LenRTS+SIFS的交互帧{RTS，CTS}，其中LenRTS代表请求发送帧(RTS)的持续时间；
3)间隔时间为LenCTS+SIFS的交互帧{CTS，DATA}，其中LenCTS代表清除发送帧(CTS)的持续时间；
4)间隔时间为LenPS-POLL+SIFS的交互帧{PS-POLL，DATA}，其中LenpS-POLL代表节能轮询帧(PS-POLL)的持续时间。
在请求数据发送(RTS+CTS+DATA+ACK)交互流程中包括交互帧{RTS，CTS}、交互帧{CTS，DATA}和交互帧{DATA，ACK}，在直接数据发送(DATA+ACK)交互流程中包括交互帧{DATA，ACK}，在节能轮询(PS-POLL+DATA+ACK)交互流程中包括交互帧{PS-POLL，DATA}和交互帧{DATA，ACK}。
接入点和终端各自的交互帧中包括前导码，根据前导码中包含若干子载波的长导码部分进行信道估计。
AP和STA分别利用上、下行帧Frame_AP、Frame_STA的前导码部分进行信道估计，获得上行信道状态信息CSI_AP和下行信道状态信息CSI_STA；CSI(Channel StateInformation)，即信道状态信息；
AP和STA发送的数据帧和控制帧都包含前导码，WiFi协议规定前导码中包括52个子载波，利用前导码中包含52个子载波的长训练序列进行信道估计，获得对应的52个子载波上的上、下行信道状态信息。
接入点和终端根据各自的信道状态信息进行处理，得到信道的幅度信息和相位信息，对幅度信息和相位信息量化后得到互易的上、下行信道特征。
对信道幅度信息和相位信息分别进行量化处理，得到对应的上、下行信道幅度特征和上、下行信道相位特征，其中上、下行信道幅度信息和相位信息分别量化处理时，量化阶数可以相同，也可以不同。此外，在量化处理方式上，可以采用均匀量化的方式，也可以采用等概率量化以及其他非均匀量化方式，本发明中不做具体限定。
进一步地，所述得到幅度信息和相位信息，包括：
接入点和终端分别对各自估计的信道状态信息的幅度部分进行能量归一化处理，得到平均能量一致的上、下行信道幅度信息CSI_Mag_AP和CSI_Mag_STA；各通信节点分别对各自估计的信道状态信息的相位部分进行相位展开和中心化处理，得到平均相位为零的上、下行信道相位信息CSI_Phase_AP和CSI_Phase_STA；
本实施例对上、下行信道幅度信息和相位信息分别进行均匀量化，得到接入点和终端对应的上、下行信道幅度特征{Feature_Mag_AP，Feature_Mag_STA}和上、下行信道相位特征{Feature_Phase_AP，Feature_Phase_STA}，即得到了互易的上、下行信道特征，它们之间具有高互易性。互易性指的是上行信道和下行信道之间的相似度，互易性越高，即相似度越高。
本发明中接入点和终端对各自信道状态信息处理过程预设一致，即接入点和终端在归一化处理、相位展开和中心化处理采用相同的处理方式。量化阶数根据互易性要求确定，互易性性能根据上、下行交互帧的确定性时间间隔确定，互易性性能还根据接入点和终端的所处环境和运动状态确定。
上、下行信道特征之间的互易性对量化阶数有影响，互易性越高，可以采用的量化阶数也就越高，最终得到的密钥比特数越多，双方密钥一致率也越高；互易性越低，可以采用的量化阶数越低，最终得到的密钥比特数越少，双方密钥一致率也越低，不利于无线信道密钥的生成。本实施例中可以采用单一的一阶均匀量化方式，也可以采用多阶的均匀量化方式，对上、下行信道幅度信息和相位信息采用的量化阶数可以不同。对于不同确定性间隔时间的上、下行交互帧也可以采用不同的量化阶数，时间间隔越长，上、下行信道互易性越低，采用的量化阶数也就越低。此外，AP和STA的所处环境和运动状态也会影响上、下行信道互易性，从而影响量化阶数。例如，STA的运动速度越快，时间间隔不变的情况下，上、下行信道的互易性就越低，在保证双方生成密钥一致率的情况下，可以采用的量化阶数也就越低。具体量化阶数可以根据AP和STA的所处环境和运动状态等进行实验测定。
本发明产生微秒级确定性间隔时间的上、下行交互帧，大幅降低上、下行交互信号时间间隔，提高上、下行信道互易性，从而提高密钥生成速率和双方生成密钥的一致率。互易性是模拟量的相似度，在本发明中指的是上、下行信道之间幅度信息之间的相似度，以及相位信息之间的相似度；一致率是量化后的数字量的相似度，在本发明中指的是上、下行信道之间幅度特征的相似度和上、下行信道之间相位特征的相似度，因此，互易性在量化前。
本发明所述的一种高互易性信道特征提取方法在接入点和终端内各自执行，本发明通过包含控制帧的WIFI协议通信过程，产生确定性间隔时间的上、下行交互帧，进行信道估计和处理后，得到高互易性的上、下行信道幅度和相位特征，用于生成无线信道密钥，并提高密钥生成速率以及密钥生成的一致率。
实施例2：
本实施例提供一种高互易性信道特征提取方法，包括以下步骤：
(1)设置WiFi网络的接入点AP与终端STA，分别初始化后建立WiFi连接；
本实施例中，选用了两个同型号的乐鑫的ESP32 WiFi分别作为接入点AP与终端STA，其中AP固定，STA进行手持低速移动，进行默认的初始化设置，配置为IEEE802.11n协议，通过SSID(Service Set Identifier，服务集标识)和密码，STA连接上AP，建立起WiFi连接。
(2)AP和STA之间通过包含WiFi控制帧的典型工作流程，产生微秒级确定性间隔时间的上、下行帧Frame_AP和Frame_STA；
本实施例中，AP和STA按照如图3所示的工作流程进行交互，本实施例中的交互流程为直接数据发送(DATA+ACK)交互流程。STA不停发送固定长度的DATA帧，AP收到DATA帧后，自动发送ACK帧进行确认应答。这样，AP和STA之间不停产生微秒级确定性间隔时间为LenDATA+SIFS(144us)的交互帧{DATA，ACK}，其中，LenDATA代表数据帧的持续时间，时间为128us，SIFS代表短帧间间隔，时间为16us。从图3中可以看出，AP和STA之间进行第一次直接数据发送(DATA+ACK)交互流程，即STA向AP发送数据包Data1和AP向STA发送确认应答ACK1，这里的上、下行信号时间间隔为LenDATA+SIFS(144us)。
而AP和STA之间进行第一次双方完整数据包交互的过程，即STA向AP发送数据包Data1和AP向STA发送数据包Data2，这里的上、下行信号时间间隔为LenDATA+SIFS+LenACK+DIFS+T竞争，其中，DIFS代表分布式帧间间隔，时间为28us，AP在发送数据包Data2之前存在与环境中其他设备的信道竞争，而信道竞争占用的时间T竞争是不确定的，也就是现有技术中所说的WiFi数据帧之间毫秒级甚至更长时间的不确定性时间间隔。本发明中通过包含WIFI控制帧的交互流程，生成确定性时间间隔的交互帧，即在本实施例中采用LenDATA+SIFS确定性时间间隔的交互帧提取信道特征。
(3)AP和STA分别利用其接收的交互帧的前导码部分进行信道估计，获得上行信道状态信息CSI_AP和下行信道状态信息CSI_STA；
本实施例中，WiFi协议规定每帧信号都有前导码，这是由物理层帧格式决定，AP和STA对应的ESP32 WiFi模组(蓝牙无线通信模块)分别使用第i次交互接收到的上行DATA帧和下行ACK帧的前导码中包含52个子载波的长训练序列自动进行信道估计，获得对应的52个子载波上的上、下行信道状态信息CSI_APi和CSI_STAi：
CSI_APi＝{CSI_APi(1)，CSI_APi(2)，...，CSI_APi(j)，...，CSI_APi(52)}
CSI_STAi＝{CSI_STAi(1)，CSI_STAi(2)，...，CSI_STAi(j)，...，CSI_STAi(52)}
CSI_APi(j)和CSI_STAi(j)分别指的是第j个子载波上的AP和STA的信道估计结果；信道估计是利用接收到的前导码的52个子载波和理想前导码的52个子载波进行信道估计，此部分通过现有技术实现。
(4)AP和STA分别对估计得到的上、下行信道状态信息的幅度和相位部分进行处理，获得上、下行信道幅度信息{CSI_Mag_AP，CSI_Mag_STA}和上、下行信道相位信息{CSI_Phase_AP，CSI_Phase_STA}；
本实施例中，AP和STA分别对第i次交互获得的上、下行信道状态信息，CSI_APi和CSI_STAi，进行幅度和相位处理。首先，对信道状态信息CSI_APi和CSI_STAi取绝对值获得对应的幅度|CSI_APi|和|CSI_STAi|，其中，|.|代表取绝对值操作。
然后，对幅度进行能量归一化处理，去除AP和STA收发链路增益的差异，以得到平均能量一致的上、下行信道幅度信息CSI_Mag_APi和CSI_Mag_STAi，
如图4所示，可以看到，由本发明的上、下行交互帧{DATAi，ACKi}产生的上、下行信道幅度信息高度相似，而传统的由{DATAi，DATAi+1}交互产生的上、下行信道幅度信息，如图5所示，存在较大的差异。
接着，对信道状态信息CSI_APi和CSI_STAi计算对应的相位θ_APi和θ_STAi，
θ_APi＝{θ_APi(1)，θ_APi(2)，...，θ_APi(j)，...，θ_APi(52)}
θ_STAi＝{θ_STAi(1)，θ_STAi(2)，...，θ_STAi(j)，...，θ_STAi(52)}
其中，real()和imag()分别代表取实部和取虚部处理，arctan()代表反正切函数。
由于反正切函数的区间是(-π，π)，导致计算的实际相位会折叠在这个范围内，需要对θ_APi和θ_STAi进行相位展开处理以生成更平滑的相位
和
具体的AP侧相位展开处理如下，STA侧对于θ_STAi进行的相位展开处理流程相同：
1)令
2)从第2个子载波(j＝2)开始，依次计算当前子载波与前一个子载波的相位差，θ_APi(j)-θ_APi(j-1)；
3)若相位差θ_APi(j)-θ_APi(j-1)大于π，则将当前子载波相位
及后续子载波相位均减去2π；
4)若相位差θ_APi(j)-θ_APi(j-1)小于-π，则将当前子载波相位
及后续子载波相位均加上2π；
随后，对展开的相位
和
进行中心化处理，去除AP和STA收发链路导致的固定相位偏差，以得到互易的上、下行信道相位信息CSI_Phase_APi和CSI_Phase_STAi；
CSI_Phase_APi＝{CSI_Phase_APi(1)，...，CSI_Phase_APi(j)，...，CSI_Phase_APi(52)}
CSI_Phase_STAi＝{CSI_Phase_STAi(1)，...，CSI_Phase_STAi(j)，...，CSI_Phase_STAi(52)}
如图6所示，可以看到，由本发明的上、下行交互帧{DATAi，ACKi}产生的上、下行信道相位信息高度相似，而传统的由{DATAi，DATAi+1}交互产生的上、下行信道相对相位信息，如图7所示，存在较大的差异。
(5)AP和STA分别对上、下行信道幅度信息按照一定的阶数进行量化，得到高互易性的上、下行信道幅度特征{Feature_Mag_AP，Feature_Mag_STA}；
(6)AP和STA分别对上、下行信道相位信息按照一定的阶数进行量化，得到高互易性的上、下行信道相位特征{Feature_Phase_AP，Feature_Phase_STA}。
本实施例中，AP和STA分别对第i次交互获得的上、下行信道幅度信息分别进行了1阶至8阶的均匀量化，得到对应的上、下行信道幅度特征{Feature_Mag_APi，Feature_Mag_STAi}。AP和STA分别对第i次交互获得的上、下行信道相位信息分别进行了1阶至8阶的均匀量化，得到对应的上、下行信道相位特征{Feature_Phase_APi，Feature_Phase_STAi}。然后对于1000次交互产生的上、下行信道幅度特征进行一致率的统计，如图8所示，可以看到，由本发明的上、下行交互帧{DATAi，ACKi}产生的上、下行信道的信道幅度特征的一致率远高于传统的由{DATAi，DATAi+1}交互产生的上、下行信道幅度特征的一致率，高了20％～30％。在1阶至3阶量化时，本发明方法的上、下行信道的信道幅度特征的一致率接近，均约为88％。在1阶量化时，本发明方法的上、下行信道的信道幅度特征的一致率约达到92％。
因此，从本实施例的一致率实验结果出发，上、下行信道的信道幅度和相位部分可以采用不同的量化阶数，例如幅度部分采用一阶量化，而相位部分采用3阶量化，在几乎不降低一致率的同时，获得最大的密钥生成速率。
可以看到，基于WiFi协议，相对于传统的不确定性毫秒级时间间隔的数据帧交互，本发明提供了一种基于控制帧的高互易性信道特征提取方法，显著提升了上、下行信道幅度和相位特征的一致率。
实施例3：
如附图2所示，本实施例公开了一种高互易性信道特征提取系统，包括：
基于WIFI协议通信的至少两个通信节点，其中，各个通信节点包括：
信道估计模块，用于分别根据接收的交互帧进行信道估计，得到信道状态信息；所述交互帧为：两个通信节点之间基于WIFI协议通信，生成的包含WIFI控制帧的一对上、下行帧；
特征提取模块，用于分别对所述信道状态信息进行处理，得到幅度信息和相位信息，对信道的幅度信息和相位信息进行量化，进而得到互易的上、下行信道特征。
本系统各个通信节点中根据其接收到的包含WIFI控制帧的交互帧，进行信道估计，得到信道状态信息，再对信道状态信息进行处理得到幅度和相位信息，进一步量化后，得到高互易性的上、下行信道特征。本发明由于采用包含WIFI控制帧的交互帧，可以产生微秒级确定性时间间隔，大幅降低上、下行交互信号时间间隔，提高了两个通信节点之间上、下行信道特征的互易性，可用于生成无线信道密钥，并提高密钥生成速率以及密钥生成的一致率。
进一步地，所述交互帧具有确定性时间间隔，通过包含WIFI控制帧的交互流程生成。
进一步地，所述WIFI控制帧为：请求发送帧RTS、清除发送帧CTS、确认帧ACK或节能轮询帧PS-POLL。
进一步地，所述包含WIFI控制帧的交互流程为：请求数据发送交互流程、直接数据发送交互流程或节能轮询交互流程。
进一步地，所述交互帧为：
间隔时间为LenDATA+SIFS的交互帧{DATA，ACK}；
间隔时间为LenRTS+SIFS的交互帧{RTS，CTS}；
间隔时间为LenCTS+SIFS的交互帧{CTS，DATA}；
或间隔时间为LenPS-POLL+SIFS的交互帧{PS-POLL，DATA}；
所述LenDATA为数据帧DATA的持续时间，LenRTS为请求发送帧的持续时间，LenCTS为清除发送帧的持续时间，LenPS-POLL为节能轮询帧的持续时间，SIFS为短帧间间隔。
进一步地，根据交互帧前导码中的包含若干子载波的长训练序列进行信道估计，得到对应的子载波上的信道状态信息。
进一步地，所述得到幅度信息和相位信息，包括：
各通信节点分别对各自估计的信道状态信息的幅度部分进行能量归一化处理，得到平均能量一致的上、下行信道幅度信息；
各通信节点分别对各自估计的信道状态信息的相位部分进行相位展开和中心化处理，得到平均相位为零的上、下行信道相位信息。
本发明能够有效结合已广泛部署的WiFi网络，成本低，充分利用WiFi控制帧和应答机制，提供了一种与现有WiFi协议兼容的高互易性信道特征提取系统，解决了WiFi数据帧之间毫秒级不确定性时间间隔导致的互易性不足问题，可扩展至多节点场景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (12)
1.一种高互易性信道特征提取方法，应用于基于WIFI协议通信的至少两个通信节点，其特征在于，包括：
各通信节点分别根据接收的交互帧进行信道估计，得到信道状态信息；所述交互帧为：两个通信节点之间基于WIFI协议通信，生成的包含WIFI控制帧的一对上、下行帧；
各通信节点分别对所述信道状态信息进行处理，得到幅度信息和相位信息，对信道的幅度信息和相位信息进行量化，进而得到互易的上、下行信道特征。
2.根据权利要求1所述的一种高互易性信道特征提取方法，其特征在于：所述交互帧具有确定性时间间隔，通过包含WIFI控制帧的交互流程生成。
3.根据权利要求1或2所述的一种高互易性信道特征提取方法，其特征在于：
所述WIFI控制帧为：请求发送帧RTS、清除发送帧CTS、确认帧ACK或节能轮询帧PS-POLL。
4.根据权利要求2所述的一种高互易性信道特征提取方法，其特征在于：
所述包含WIFI控制帧的交互流程为：请求数据发送交互流程、直接数据发送交互流程或节能轮询交互流程。
5.根据权利要求3所述的一种高互易性信道特征提取方法，其特征在于：所述交互帧为：
确定性间隔时间为LenDATA+SIFS的交互帧{DATA，ACK}；
确定性间隔时间为LenRTS+SIFS的交互帧{RTS，CTS}；
确定性间隔时间为LenCTS+SIFS的交互帧{CTS，DATA}；
或确定性间隔时间为LenPS-POLL+SIFS的交互帧{PS-POLL，DATA}；
所述LenDATA为数据帧DATA的持续时间，LenRTS为请求发送帧的持续时间，LenCTS为清除发送帧的持续时间，LenPS-POLL为节能轮询帧的持续时间，SIFS为短帧间间隔。
6.根据权利要求1所述的一种高互易性信道特征提取方法，其特征在于：根据交互帧前导码中的包含若干子载波的长训练序列进行信道估计，得到对应的子载波上的信道状态信息。
7.根据权利要求1所述的一种高互易性信道特征提取方法，其特征在于：所述得到幅度信息和相位信息，包括：
各通信节点分别对各自估计的信道状态信息的幅度部分进行能量归一化处理，得到平均能量一致的上、下行信道幅度信息；
各通信节点分别对各自估计的信道状态信息的相位部分进行相位展开和中心化处理，得到平均相位为零的上、下行信道相位信息。
8.一种高互易性信道特征提取系统，其特征在于，包括：基于WIFI协议通信的至少两个通信节点，其中，各个通信节点包括：
信道估计模块，用于分别根据接收的交互帧进行信道估计，得到信道状态信息；所述交互帧为：两个通信节点之间基于WIFI协议通信，生成的包含WIFI控制帧的一对上、下行帧；
特征提取模块，用于分别对所述信道状态信息进行处理，得到幅度信息和相位信息，对信道的幅度信息和相位信息进行量化，进而得到互易的上、下行信道特征。
9.根据权利要求8所述的一种高互易性信道特征提取系统，其特征在于：所述交互帧具有确定性时间间隔，通过包含WIFI控制帧的交互流程生成。
10.根据权利要求8或9所述的一种高互易性信道特征提取系统，其特征在于：
所述WIFI控制帧为：请求发送帧RTS、清除发送帧CTS、确认帧ACK或节能轮询帧PS-POLL。
11.根据权利要求9所述的一种高互易性信道特征提取系统，其特征在于：
所述包含WIFI控制帧的交互流程为：请求数据发送交互流程、直接数据发送交互流程或节能轮询交互流程。
12.根据权利要求10所述的一种高互易性信道特征提取系统，其特征在于：所述交互帧为：
间隔时间为LenDATA+SIFS的交互帧{DATA，ACK}；
间隔时间为LenRTS+SIFS的交互帧{RTS，CTS}；
间隔时间为LenCTS+SIFS的交互帧{CTS，DATA}；
或间隔时间为LenPS-POLL+SIFS的交互帧{PS-POLL，DATA}；
所述LenDATA为数据帧DATA的持续时间，LenRTS为请求发送帧的持续时间，LenCTS为清除发送帧的持续时间，LenPS-POLL为节能轮询帧的持续时间，SIFS为短帧间间隔。
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