本發(fā)明涉及無線與移動(dòng)通信技術(shù)領(lǐng)域，具體來說，涉及一種基于信道特征參數(shù)的無線通信密鑰生成方法。

背景技術(shù)：

目前無線通信在軍事和民用領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，但無線通信特有的開放特性導(dǎo)致無線信息傳輸?shù)陌踩暂^低。傳統(tǒng)的解決方法是在網(wǎng)絡(luò)層通過公私密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。但是在動(dòng)態(tài)的無線網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)稱加密方法需要解決無線通信下密鑰分發(fā)的難題，密鑰分發(fā)一方面引入額外的復(fù)雜度和成本，無法對(duì)密鑰進(jìn)行快速更新或一次一密，另一方面分發(fā)過程中容易泄密。而非對(duì)稱密鑰算法需要移動(dòng)節(jié)點(diǎn)較難負(fù)擔(dān)的高功率和高運(yùn)算成本，如專利號(hào)為201210330144.4的中國(guó)專利公開的一種用于無線協(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)的非對(duì)稱信道通信密鑰生成方法所示的情況。

為改進(jìn)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層加密的這些缺點(diǎn)，基于無線信道的物理層密鑰生成方法被提出，如專利號(hào)為201210313272.8的中國(guó)專利公開的一種用于認(rèn)知無線電系統(tǒng)的通信密鑰生成方法和安全信道選擇方法。這些方法首先需要采集上、下行信道的接收信號(hào)強(qiáng)度或多徑信息或時(shí)延等信道參數(shù)，其中接收信號(hào)強(qiáng)度最為常用。由于相干時(shí)間內(nèi)上下行信道的互易性，通信雙方所采集的信道參數(shù)基本一致。然后通信雙方分別對(duì)所采集的信道參數(shù)量化處理得到二進(jìn)制序列并直接將其作為初始密鑰，由于采集到的信道參數(shù)一致性很高，初始密鑰一般差別很小。最后通信雙方通過信息調(diào)和，對(duì)初始密鑰進(jìn)行校正，最終獲得完全相同的密鑰。這種方法的最大特點(diǎn)是利用相干時(shí)間內(nèi)上下行信道特性的互易性，由信道參數(shù)直接獲得密鑰。其運(yùn)算成本一般低于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層加密方法，也沒有密鑰分發(fā)的問題。

但是這類方法也有不足之處：

一是信道參數(shù)的采樣間隔必須大于信道變化的相干時(shí)間。如果采樣間隔快于相干時(shí)間，將會(huì)造成所采集的信道參數(shù)相關(guān)性較大，若要考慮去相關(guān)則會(huì)增加很多運(yùn)算成本。如果提高 采樣間隔則會(huì)使單位時(shí)間采集到的信道參數(shù)樣本減少，而導(dǎo)致密鑰生成速率降低。在通信信道變化較慢的情況下，相干時(shí)間很長(zhǎng)，這樣在短時(shí)間內(nèi)采集到的信道參數(shù)一致性很高，相鄰多次通信過程中產(chǎn)生的各密鑰重復(fù)性很大，密鑰生成速率較低，且安全性不佳；

二是這類方法依靠上下行信道特性的互易性因而多用于時(shí)分雙工(Time Division Duplex,簡(jiǎn)稱TDD)通信系統(tǒng)中，依靠對(duì)接收信號(hào)強(qiáng)度的量化處理生成密鑰。但實(shí)際應(yīng)用中，大量無線和移動(dòng)通信系統(tǒng)采用頻分雙工Frequency Division Duplex,簡(jiǎn)稱FDD)技術(shù)。FDD通信系統(tǒng)中上下行信道頻率不同，無線通信在復(fù)雜環(huán)境下的多徑效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致頻率選擇性衰落，亦即不同頻率的信號(hào)經(jīng)歷相同的傳播環(huán)境其信道特性不同。因此，F(xiàn)DD通信系統(tǒng)中上下行信道特性的一致性得不到保證，上述物理層密鑰生成方法無法有效應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于信道特征參數(shù)的無線通信密鑰生成方法，能夠解決現(xiàn)有基于無線信道特征提取的物理層密鑰生成技術(shù)中運(yùn)算量大，密鑰生成速率低，不適用于FDD通信系統(tǒng)的缺陷。

為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種基于信道特征參數(shù)的無線通信密鑰生成方法，包括以下步驟：

1)通信發(fā)起方發(fā)送第一導(dǎo)頻信號(hào)給通信接受方；

2)通信接受方收到第一導(dǎo)頻信號(hào)的數(shù)據(jù)樣本后在相干時(shí)間內(nèi)發(fā)送第二導(dǎo)頻信號(hào)給通信發(fā)起方；

3)通信發(fā)起方收到第二導(dǎo)頻信號(hào)的數(shù)據(jù)樣本，通信雙方分別對(duì)接收到的導(dǎo)頻信號(hào)進(jìn)行處理，獲得各自的信道響應(yīng)；

4)通信雙方從各自的信道響應(yīng)中分別提取信道特征參數(shù)，并量化生成二進(jìn)制序列作為碼本號(hào)；

5)通信發(fā)起方根據(jù)其碼本號(hào)生成校驗(yàn)信息，并發(fā)送校驗(yàn)信息給通信接受方；

6)通信接受方收到校驗(yàn)信息后，與步驟3)中通信接受方生成的碼本號(hào)進(jìn)行比對(duì)，如果對(duì)比結(jié)果有誤則請(qǐng)求通信發(fā)起方重新發(fā)起通信，回到步驟1)，如果對(duì)比結(jié)果無誤則發(fā)送反饋信息告知通信發(fā)送方無誤并由碼本號(hào)查找碼本獲得密鑰；

7)通信發(fā)起方收到無誤的信息，由碼本號(hào)查找相同的碼本獲得密鑰。

進(jìn)一步的，本發(fā)明方法還包括：

設(shè)定密鑰的有效期，當(dāng)通信雙方之間對(duì)密鑰的使用達(dá)到密鑰的有效期時(shí)，回到步驟1)，重新生成新的密鑰。

進(jìn)一步的，所述設(shè)定密鑰的有效期為通信雙方規(guī)定的密鑰的使用時(shí)間或者通信雙方規(guī)定的密鑰的使用次數(shù)。

進(jìn)一步的，所述第一導(dǎo)頻信號(hào)與第二導(dǎo)頻信號(hào)相同或不同。

進(jìn)一步的，步驟4)中所述信道特征參數(shù)包括多徑數(shù)目、多徑信號(hào)功率和多徑間時(shí)延中的一種或多種。

進(jìn)一步的，步驟3)中獲得信道響應(yīng)的方法為通信雙方將各自接受到的數(shù)據(jù)樣本與對(duì)方導(dǎo)頻信號(hào)的本地樣本作相關(guān)運(yùn)算，所述相關(guān)運(yùn)算如下公式所示：

h(t,τ)＝∫r(t，x)s(τ-x)dx

其中：h(t，τ)為信道相應(yīng)，r(t，τ)為數(shù)據(jù)樣本，s(τ)為導(dǎo)頻信號(hào)，t為時(shí)間，τ為時(shí)延。

進(jìn)一步的，步驟4)中提取信道特征參數(shù)，并量化生成二進(jìn)制序列作為碼本號(hào)的方法包括以下步驟：

4.1)根據(jù)獲得的信道響應(yīng)算出信道的功率時(shí)延譜；

4.2)選取所述功率時(shí)延譜上功率最高點(diǎn)，以其為基準(zhǔn)在-20dB處設(shè)置門限，將超過這一門限的簇設(shè)定為一條多徑分量；

4.3)由步驟4.2)中區(qū)分出的各條多徑分量獲得各多徑分量功率，選取功率最高的6條，獲得其中相鄰多徑分量的到達(dá)時(shí)間間隔，如果多徑數(shù)少于6條，則在對(duì)應(yīng)位置補(bǔ)0；

4.4)選出時(shí)間間隔最大值并將其量化為三位二進(jìn)制數(shù)，其他時(shí)間間隔等比例量化，向下取整；

4.5)將量化得到的值依次拼接起來，生成長(zhǎng)為15位的碼本號(hào)。

進(jìn)一步的，步驟5)中所述校驗(yàn)信息為奇校驗(yàn)碼。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明通過設(shè)定碼本與碼本號(hào)的映射關(guān)系，能使較短的碼本號(hào)映射成很長(zhǎng)的密碼，所以密鑰生成速率大大加快，即本發(fā)明可以在較低的運(yùn)算復(fù)雜度下保證高密鑰生成速率；

2、當(dāng)處于信道特征變化較小的環(huán)境下，短時(shí)間內(nèi)各次通信生成的碼本號(hào)之間變化也很微小，但通過碼本的映射可以生成互相之間沒有相關(guān)性的密鑰，保證了在信道特征變化較小時(shí)的安全性并不降低，碼本本身也帶來了新的不確定性，只要竊聽者未掌握碼本 信息，那么即使能夠模擬推算出合法信道的信道特征參數(shù)，也無法破譯；

3、本發(fā)明無線通信密鑰生成方法既適用于TDD系統(tǒng)，又可以適用于FDD系統(tǒng)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明所述方法的應(yīng)用環(huán)境模型；

圖2為本發(fā)明所述方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

圖1所示為本發(fā)明的應(yīng)用環(huán)境模型，包括通信雙方Alice與Bob，竊聽者Eve，以及不規(guī)則分布的散射物。

通信雙方Alice與Bob使用相同的碼本，且竊聽者Eve并不知道有關(guān)此碼本的任何信息。竊聽者Eve可以接收到Alice與Bob發(fā)送的一切信息，并且擁有無限制的運(yùn)算能力。竊聽者Eve與Alice和Bob的距離都大于相干距離。

如圖2所示，為本發(fā)明的實(shí)施例提供的一種基于信道特征參數(shù)的無線通信密鑰生成方法，具體包括：通信開始時(shí)通信發(fā)起方Alice先發(fā)送第一導(dǎo)頻信號(hào)s(τ)，通信接收方Bob接收到數(shù)據(jù)樣本r(t，τ)，通過將r(t，τ)與第一導(dǎo)頻信號(hào)的本地樣本s(τ)作相關(guān)運(yùn)算，就可以得到信道沖激響應(yīng)：h(t,τ)＝r(t,τ)...s(τ)，即h(t，τ)＝∫r(t，x)s(τ-x)dx信道沖激響應(yīng)h(t，τ)是時(shí)間和時(shí)延的函數(shù)，由h(t，τ)可以算出信道的功率時(shí)延譜PDP(t,τ)＝|h(t,τ)|²。假設(shè)Bob接收到數(shù)據(jù)樣本的時(shí)間為t₀，算出信道的功率時(shí)延譜 為PDP(t₀，τ)。Bob接收到導(dǎo)頻信號(hào)的數(shù)據(jù)樣本后同樣發(fā)送一段導(dǎo)頻信號(hào)s′(τ)，s′(τ)可以與s(τ)相同或不同。Alice接收后經(jīng)相同處理獲得PDP′(t₀+Δt，τ)，其中Δt小于相干時(shí)間。如果使用的是TDD的通信方式，PDP(t₀，τ）與PDP′(t₀+Δt，τ)近似相同。如果使用的是FDD的通信方式，上下行信道頻率不同，由于頻率選擇性衰落的原因PDP(t₀，τ）與PDP′(t₀+Δt,τ)是不同的，但相干時(shí)間內(nèi)上下行信道各多徑分量的到達(dá)時(shí)間基本一致，所以PDP(t₀，τ)與PDP′(t₀+Δt，τ)中各峰值對(duì)應(yīng)的τ是相同的。

Alice與Bob分別對(duì)各自得到的功率時(shí)延譜進(jìn)行處理獲得信道參數(shù)，并通過對(duì)信道參數(shù)量化得到碼本號(hào)，方法如下：第一步，選取功率時(shí)延譜上功率最高點(diǎn)，以其為基準(zhǔn)在-20dB處設(shè)置門限。超過這一門限的簇可以看作是一條多徑分量。第二步，由第一步中區(qū)分出的各條多徑分量獲得各多徑分量功率，選取功率最高的6條，獲得其中相鄰多徑分量的到達(dá)時(shí)間間隔[τ₁，τ₂，…，τ₆]，如果多徑數(shù)少于6條，則在對(duì)應(yīng)位置補(bǔ)0。第三步，選出時(shí)間間隔最大值max(τ₁，τ₂，…，τ₆)將其量化為三位二進(jìn)制數(shù)111，其他時(shí)間間隔等比例量化，公式為向下取整。第四步，將量化得到的值依次拼接起來，生成長(zhǎng)為15位的碼本號(hào)d_Alice和d_Bob。

Alice由碼本號(hào)d_Alice生成奇校驗(yàn)碼e_Alice發(fā)送給Bob，Bob結(jié)合收到的奇校驗(yàn)碼e_Bob與碼本號(hào)d_Bob判斷d_Alice和d_Bob是否相同，若有誤則通知Alice重新執(zhí)行以上步驟，若無誤則反饋無誤信息通知Alice，在通信雙方共有的碼本中一個(gè)15位的碼本號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)128位的隨機(jī)數(shù)，通信雙方由上述步驟生成的15位碼本號(hào)d_Alice和d_Bob查找對(duì)應(yīng)的128位密碼，以此密碼對(duì)信息加密進(jìn)行接下來的通信。

Alice與Bob結(jié)束了一輪通信后，重新執(zhí)行以上步驟，生成新的密碼，可以實(shí)現(xiàn)一次一密，也可以雙方規(guī)定好通信次數(shù)N，當(dāng)密鑰使用N次后重新生成密鑰，還可以雙方規(guī)定密鑰過期時(shí)間T，當(dāng)密鑰使用時(shí)間達(dá)到T時(shí)重新生成密鑰。

本發(fā)明的原理：現(xiàn)有的無線通信密鑰生成方法大多是直接利用信道特征參數(shù)的不確 定性生成密鑰，密鑰生成速率慢。這種方法生成的密鑰相當(dāng)于本發(fā)明中的碼本號(hào)，雖然碼本號(hào)生成速率慢，通過碼本的映射關(guān)系，較短的碼本號(hào)可以映射成很長(zhǎng)的密碼，所以密鑰生成速率大大加快，即本發(fā)明可以在較低的運(yùn)算復(fù)雜度下保證高密鑰生成速率。

當(dāng)處于信道特征變化較小的環(huán)境下，短時(shí)間內(nèi)各次通信生成的碼本號(hào)之間變化也很微小，但通過碼本的映射可以生成互相之間沒有相關(guān)性的密鑰，保證了在信道特征變化較小時(shí)的安全性并不降低。

碼本本身也帶來了新的不確定性，只要竊聽者未掌握碼本信息，那么即使能夠模擬推算出合法信道的信道特征參數(shù)，也無法破譯。

該技術(shù)方案既適用于TDD系統(tǒng)，又可以適用于FDD系統(tǒng)。對(duì)于TDD方案，仍然可以使用多徑數(shù)目、多徑信號(hào)功率、多徑間時(shí)延等參數(shù)作為信道特征參數(shù)生成碼本。而盡管多徑分量的功率隨著頻率變化而變化，但多徑分量的個(gè)數(shù)只與散射體多少有關(guān)，多徑分量到達(dá)時(shí)間只取決于各徑傳輸距離以及電磁波的傳輸速度，其中電磁波傳輸速度與頻率無關(guān)，因此對(duì)于FDD系統(tǒng)，仍然可以使用多徑個(gè)數(shù)或多徑間時(shí)延作為信道參數(shù)生成碼本。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。