[发明专利]一种频分双工系统中的密钥提取方法

说明书

本发明公开了一种频分双工系统中的密钥提取方法，包括以下步骤：(1)通信双方中的上行方向通信双方中的下行方发送导频信号；(2)下行方根据接收的导频信号进行信道估计，得到即时角度和角度功率谱密度，并根据即时角度和角度功率谱密度计算出上行信道的协方差矩阵后发送至上行方，再根据上行信道的协方差矩阵推导出下行信道协方差矩阵；(3)上行方将上行信道的协方差矩阵的非零特征值构成的向量量化成密钥比特，下行方将下行信道协方差矩阵的非零特征值构成的向量量化成密钥比特；(4)上行方和下行方分别对量化后的密钥比特进行信息调和以及隐私放大，获得一致密钥。本发明安全有效。

技术领域

本发明涉及无线通信及信息加密领域，尤其涉及一种频分双工系统中基于上下行协方差矩阵构造信道互易性的密钥提取方法。

背景技术

无线信道的互易性可以作为天然的随机源，用于基于无线信道特征值提取的对称密钥生成。无线信道密钥生成指的是合法通信用户双方，通过发送和接收训练序列，得到随机无线信道，利用两者之间共同的信道特征产生密钥，从而避免了因密钥传输而可能带来的信息泄露。此外，当非法窃听者和合法通信用户之间的距离超过1/2波长时，窃听者观测到的信道特征与合法接收者之间观测到的信道特征可视为不相关的，具备极高的安全性。由于合法通信双方各自独立产生的密钥需要具有一致性，因此需要互易的信道参数。

在时分双工(TDD)系统中，当双工时间间隔远小于信道相干时间时，无线上下行信道系数具备固有的高度互易性。然而，在频分双工(FDD)系统中，上下行使用不同的传输频率进行数据发送和接收。两个频带之间设置了频率间隔以防止上下行信道产生信道间干扰，而这一频率间隔一般远大于信道的相干带宽，因此上下行信道的特征存在很大的差异。由于频分双工(FDD)的信道特征不具备较高的互易性，会导致提取得到的密钥误码率较高，所以无线信道密钥生成难以适用于频分双工(FDD)系统。

现有技术存在一种利用回传的方法构建互易的复合信道参数方法来获得随机性、一致性高的密钥，但是这些方法存在信息泄露的风险。如果窃听者截取到了合法接收者之间回传协议中的全部信息，就有很大概率能够推测出合法接收者产生的密钥。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种频分双工系统中的密钥提取方法，安全有效。

技术方案：本发明所述的频分双工系统中的密钥提取方法包括以下步骤：

(1)通信双方中的上行方向通信双方中的下行方发送导频信号；

(2)下行方根据接收的导频信号进行信道估计，得到即时角度和角度功率谱密度，并根据即时角度和角度功率谱密度计算出上行信道的协方差矩阵后发送至上行方，再根据上行信道的协方差矩阵推导出下行信道协方差矩阵；

(3)上行方将上行信道的协方差矩阵的非零特征值构成的向量量化成密钥比特，下行方将下行信道协方差矩阵的非零特征值构成的向量量化成密钥比特；

(4)上行方和下行方分别对量化后的密钥比特进行信息调和以及隐私放大，获得一致密钥。

进一步的，步骤(2)中所述根据即时角度和角度功率谱密度计算出上行信道的协方差矩阵，具体采用的计算公式为：

式中，为上行信道的协方差矩阵，为上行信道路径角度的角度域范围，为角度功率谱密度，为角度θ上的阵列响应向量，为即时角度，f_UL、f_DL分别为上行、下行信道频率，d为天线间距，λ为载波波长，f₀为载波中心频率，M为下行方天线数量。

进一步的，步骤(2)中根据上行信道的协方差矩阵推导出下行信道协方差矩阵，所采用的计算公式为：