聯(lián)合時頻雙工的共享信道特征獲得方法
【技術領域】
[0001] 本申請涉及通信領域，尤其涉及在時分雙工（TDD，Time Division Duplex)系統(tǒng)下 的信道特征的獲取方法。此外，在一些特定的頻分雙工（FDD，F(xiàn)requency Division Duplex) 系統(tǒng)中也可以使用。
【背景技術】
[0002] 隨著通信技術的發(fā)展，數(shù)字通信系統(tǒng)已經(jīng)應用在各個領域，其安全性也日益引起 了關注?；诿艽a保護的通信系統(tǒng)可以有效的保障通信信息的安全。傳統(tǒng)加密方式的安全 性主要依賴于密鑰破解的復雜度。但是，隨著密鑰長度的增加，終端實現(xiàn)加解密技術的復雜 度也迅速增加。同時，隨著信息對抗技術的發(fā)展，密鑰本身的安全性也會迎來越來越大的挑 戰(zhàn)。因此，在傳統(tǒng)的基于分享密鑰的安全通信系統(tǒng)中，即使通過增加密鑰長度的方式來保護 密鑰的安全，也不能完全杜絕密鑰不被破解。
[0003] 在近年來的研究中，一種利用無線信道特征的密鑰共享安全通信方法成為了研究 的熱點。該方法基于TDD模式下無線通信中通信雙方信道之間互易性生成共享的密鑰信 息。由于無線通信中雙方信道在TDD模式下具有較好的互易性，可以利用其信道特征的一 致性得到共享的密鑰，從而對雙方發(fā)送的信息進行加密。由于無線通信的信道具有時變性， 基于無線信道特征的密鑰生成將可以得到"一次一密"的密鑰，從而保障通信的安全。然而， 在實際的TDD系統(tǒng)中，由于收發(fā)雙方設備指紋的存在，使得即使在TDD模式下，獲得的信道 特征也不能有很好的互易性。
[0004] 美國專利 US8401196B2(METH0DAND APPARATUS FOR PERFORMING JRNSO IN FDD， TDD AND ΜΙΜΟ COMMUNICATIONS)中提出了一種用于 FDD 和 TDD 模式下的 JRNSO (Joint Randomness Not Shared with Others)傳輸。即通信雙方將含有各自私有密鑰的導頻信息 通過不同的頻段發(fā)給對方。對方接收到信號后再將接收的信號回傳給對方。通過回傳接收 的信號，可以解決由于設備指紋造成的信道信息不互易性。在JRNSO傳輸下，US8401196B2 規(guī)定了在FDD模式下，通信雙方在接收到對方發(fā)來的導頻信號后，不經(jīng)過處理并通過與接 收到的信號不一樣的頻段，將信號回傳給對方。而在TDD模式下，通信雙方在接收到對方發(fā) 來的導頻信號后，直接在原有的頻段將接收到的信號回傳給對方。
[0005] 但是，基于US8401196B2規(guī)定的JRNSO傳輸通信方式，無論是在TDD模式下還是在 FDD模式下，都不能保障通信雙方共享的信道信息在有竊聽者的情況下不會被竊聽者破譯， 從而不能保障生成密鑰的安全。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本申請的主要目的在于提供一種聯(lián)合時頻雙工的共享信道特征獲得方法。通過將 接收到的信道測量信號使用和發(fā)射端不同的頻段回傳給對方，可以聯(lián)合兩個頻段的信道特 征及通信雙方的設備指紋特征得到互易的信道信息，從而得到高度一致的信道特征。
[0007] 本申請?zhí)岢隽艘环N聯(lián)合時頻雙工的共享信道特征獲得方法，包括了如下的步驟：
[0008] 步驟A具體為，通信雙方生成信道測量信號。信道測量信號可以是多載波信號，也 可以是單載波信號。
[0009] 步驟B具體為，通信雙方使用頻段1進行傳輸。首先通信雙方的一端將生成的信 道測量信號通過頻段1傳給對方，之后通信雙方的另一端在另一個時刻將生成的信道測量 信號通過頻段1傳給對方。雙方都接收到對方的信道測量信號；
[0010] 步驟C具體為，通信雙方將步驟B中接收到的對方使用頻段1傳來的信號不對其 進行處理，或者將其信號能量放大至合適的發(fā)射能量后，使用頻段2回傳給對方。首先通信 雙方的一端將接收到的信號通過頻段2回傳給對方，之后通信雙方的另一端將接收到的信 號在另一個時刻將接收到的信號通過頻段2回傳給對方。雙方都接收到對方回傳的信道測 量信號；
[0011] 步驟D具體為，通信雙方將步驟C中接收到的對方通過頻段2回傳的信號進行處 理，估計信道響應。在多載波通信系統(tǒng)中，信道響應包括了子載波的幅度和相位信息。通信 雙方估計每一個子載波的幅度和相位信息，得到含有2個頻段信道特征和雙方設備指紋特 征的共享信道特征。在單載波通信系統(tǒng)中，信道響應包括了信道的時域沖擊響應及多普勒 頻偏。
[0012] 所述的通信雙方所使用的兩個不同的頻段，可以是TDD通信系統(tǒng)原有頻譜被平均 分割的上下兩個頻段，也可以是同一個頻譜被分割成多個頻段后，按照一定的圖樣順序規(guī) 定的上下行頻段。
[0013] 所述的通信雙方可以是無線通信里的點對點通信雙方，如基站和用戶，也可以是 有線通信或者光纖通信里的通信鏈路的兩端。
[0014] 本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明通過在第一個頻段傳輸信道測量信號，再將接 收的信號通過第二個頻段回傳給對方，可以將通信雙方的設備指紋特征融入信道特征中， 從而使得通信雙方得到的信道特征具有高度的互易性。由于在現(xiàn)有的眾多TDD標準中（例 如IEEE802. 11標準），原有的通信信道就已經(jīng)被劃分成了不同頻段的子信道。因此該技術 可以快速的基于現(xiàn)有的TDD標準劃分好的不同子信道頻段進行實施。此外，使用本發(fā)明所 提出的方法，接收的信號經(jīng)過回傳后是安全的，竊聽者無法通過竊聽第一次傳輸?shù)男盘柡?回傳的信號得到合法通信雙方共享的信道特征。
【附圖說明】
[0015] 圖1是本發(fā)明的信道模型；
[0016] 圖2是本發(fā)明的算法流程；
[0017] 圖3是本發(fā)明的算法實施細節(jié)；
[0018] 圖4是有竊聽者情況下的系統(tǒng)模型；
[0019] 圖5是在有設備指紋情況下使用專利所述方法生成共享信道特征的密鑰在LTE信 道下的仿真結(jié)果。
【具體實施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。
[0021] 聯(lián)合時頻雙工的共享信道特征獲得方法需要使用兩個不同頻段的信道進行密鑰 信息傳輸。其傳輸信道模型如圖1所示。在圖1所示模型中，Alice和Bob可以分別使用 兩個頻段進行傳輸。Alice通過頻段1傳輸至Bob的信號經(jīng)過了信道響應為的信道， Alice經(jīng)過頻段2傳輸至Bob的信號經(jīng)過了信道響應為的信道，Bob通過頻段1傳輸 至Alice的信號經(jīng)過了信道響應為的信道，Bob通過頻段2傳輸至Alice的信號經(jīng)過 了信道響應為:1%%的信道。經(jīng)過Alice端發(fā)射的信號寄生了設備指紋釋，經(jīng)過Bob端發(fā) 射的信號寄生了設備指紋Gt#，經(jīng)過Alice端接收的信號寄生了設備指紋《電，經(jīng)過Bob端 接收的信號寄生了設備指。此外，Alice和Bob設備之間還存在著一定的載波頻率偏 移。定義Alice的晶體振蕩器產(chǎn)生的載波頻率為f。，Bob的晶體振蕩器產(chǎn)生的載波頻率為 f〇+ A f 〇
[0022] 由于設備指紋的存在，傳統(tǒng)的在TDD模式下測量得到的信道特征擁有一定的不互 易性。因此生成的密鑰將會有較大的不一致性。此外，由于收發(fā)雙方晶體振蕩器產(chǎn)生的載 波頻率不同，Alice和Bob之間的通信需要有頻偏估計算法去補償接收信號的頻偏。
[0023] 聯(lián)合時頻雙工的共享信道特征獲得方法具體的實施過程包括了生成信道測量信 號，使用頻段1傳輸信號，使用頻段2傳輸回傳信號和估計信道特征4個步驟。以上4個步 驟的算法流程圖如圖2所示。其算法實施的細節(jié)圖如圖3所示。下面將基于算法實施的細 節(jié)分別針對這4個步驟進行說明：
[0024] 生成信道測量信號
[0025] Alice和Bob分別生成信道測量信號。信道測量信號如果是多載波調(diào)制信號， Alice和Bob生成的多載波信道測量信號應具有相同的子載波數(shù)和帶寬。信道測量信號如 果是單載波信號，Alice和Bob生成的單載波信道測量信號應該具有相同的碼元速率。在 本說明中，假設Alice生成的信道測量信號為P，B