CN105099640B - 联合时频双工的共享信道特征获得方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种联合时频双工的共享信道特征获得方法。通信双方使用两个频段进行信道特征获取。通信双方首先使用第一个频段在不同的时刻互相发送信道测量信号，将接收到的信号不处理或仅仅进行信号幅度放大等简单处理后，使用另一个频段在不同的时刻互相回传给对方。通过本发明方法，通信双方可以在有不同设备指纹的情况下获得高度一致的共享信道特征。此外，本发明方法可以保证合法通信双方获得的信道特征不会被第三方窃听者在窃听了全部信息交换过程后被破解，从而可以确保获得共享信道特征的安全性。该发明可以被用于无线通信系统，也可以被用于有线通信系统以及光纤通信系统。

Description

联合时频双工的共享信道特征获得方法

技术领域

本申请涉及通信领域，尤其涉及在时分双工(TDD，Time Division Duplex)系统下的信道特征的获取方法。此外，在一些特定的频分双工(FDD，Frequency Division Duplex)系统中也可以使用。

背景技术

随着通信技术的发展，数字通信系统已经应用在各个领域，其安全性也日益引起了关注。基于密码保护的通信系统可以有效的保障通信信息的安全。传统加密方式的安全性主要依赖于密钥破解的复杂度。但是，随着密钥长度的增加，终端实现加解密技术的复杂度也迅速增加。同时，随着信息对抗技术的发展，密钥本身的安全性也会迎来越来越大的挑战。因此，在传统的基于分享密钥的安全通信系统中，即使通过增加密钥长度的方式来保护密钥的安全，也不能完全杜绝密钥不被破解。

在近年来的研究中，一种利用无线信道特征的密钥共享安全通信方法成为了研究的热点。该方法基于TDD模式下无线通信中通信双方信道之间互易性生成共享的密钥信息。由于无线通信中双方信道在TDD模式下具有较好的互易性，可以利用其信道特征的一致性得到共享的密钥，从而对双方发送的信息进行加密。由于无线通信的信道具有时变性，基于无线信道特征的密钥生成将可以得到“一次一密”的密钥，从而保障通信的安全。然而，在实际的TDD系统中，由于收发双方设备指纹的存在，使得即使在TDD模式下，获得的信道特征也不能有很好的互易性。

美国专利US8401196B2(METHODAND APPARATUS FOR PERFORMING JRNSO IN FDD，TDD AND MIMO COMMUNICATIONS)中提出了一种用于FDD和TDD模式下的JRNSO(JointRandomness Not Shared with Others)传输。即通信双方将含有各自私有密钥的导频信息通过不同的频段发给对方。对方接收到信号后再将接收的信号回传给对方。通过回传接收的信号，可以解决由于设备指纹造成的信道信息不互易性。在JRNSO传输下，US8401196B2规定了在FDD模式下，通信双方在接收到对方发来的导频信号后，不经过处理并通过与接收到的信号不一样的频段，将信号回传给对方。而在TDD模式下，通信双方在接收到对方发来的导频信号后，直接在原有的频段将接收到的信号回传给对方。

但是，基于US8401196B2规定的JRNSO传输通信方式，无论是在TDD模式下还是在FDD模式下，都不能保障通信双方共享的信道信息在有窃听者的情况下不会被窃听者破译，从而不能保障生成密钥的安全。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种联合时频双工的共享信道特征获得方法。通过将接收到的信道测量信号使用和发射端不同的频段回传给对方，可以联合两个频段的信道特征及通信双方的设备指纹特征得到互易的信道信息，从而得到高度一致的信道特征。

本申请提出了一种联合时频双工的共享信道特征获得方法，包括了如下的步骤：

步骤A具体为，通信双方生成信道测量信号。信道测量信号可以是多载波信号，也可以是单载波信号。

步骤B具体为，通信双方使用频段1进行传输。首先通信双方的一端将生成的信道测量信号通过频段1传给对方，之后通信双方的另一端在另一个时刻将生成的信道测量信号通过频段1传给对方。双方都接收到对方的信道测量信号；

步骤C具体为，通信双方将步骤B中接收到的对方使用频段1传来的信号不对其进行处理，或者将其信号能量放大至合适的发射能量后，使用频段2回传给对方。首先通信双方的一端将接收到的信号通过频段2回传给对方，之后通信双方的另一端将接收到的信号在另一个时刻将接收到的信号通过频段2回传给对方。双方都接收到对方回传的信道测量信号；

步骤D具体为，通信双方将步骤C中接收到的对方通过频段2回传的信号进行处理，估计信道响应。在多载波通信系统中，信道响应包括了子载波的幅度和相位信息。通信双方估计每一个子载波的幅度和相位信息，得到含有2个频段信道特征和双方设备指纹特征的共享信道特征。在单载波通信系统中，信道响应包括了信道的时域冲击响应及多普勒频偏。

所述的通信双方所使用的两个不同的频段，可以是TDD通信系统原有频谱被平均分割的上下两个频段，也可以是同一个频谱被分割成多个频段后，按照一定的图样顺序规定的上下行频段。

所述的通信双方可以是无线通信里的点对点通信双方，如基站和用户，也可以是有线通信或者光纤通信里的通信链路的两端。

本发明具有以下有益效果：本发明通过在第一个频段传输信道测量信号，再将接收的信号通过第二个频段回传给对方，可以将通信双方的设备指纹特征融入信道特征中，从而使得通信双方得到的信道特征具有高度的互易性。由于在现有的众多TDD标准中(例如IEEE802.11标准)，原有的通信信道就已经被划分成了不同频段的子信道。因此该技术可以快速的基于现有的TDD标准划分好的不同子信道频段进行实施。此外，使用本发明所提出的方法，接收的信号经过回传后是安全的，窃听者无法通过窃听第一次传输的信号和回传的信号得到合法通信双方共享的信道特征。

附图说明

图1是本发明的信道模型；

图2是本发明的算法流程；

图3是本发明的算法实施细节；

图4是有窃听者情况下的系统模型；

图5是在有设备指纹情况下使用专利所述方法生成共享信道特征的密钥在LTE信道下的仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

联合时频双工的共享信道特征获得方法需要使用两个不同频段的信道进行密钥信息传输。其传输信道模型如图1所示。在图1所示模型中，Alice和Bob可以分别使用两个频段进行传输。Alice通过频段1传输至Bob的信号经过了信道响应为的信道，Alice经过频段2传输至Bob的信号经过了信道响应为的信道，Bob通过频段1传输至Alice的信号经过了信道响应为的信道，Bob通过频段2传输至Alice的信号经过了信道响应为的信道。经过Alice端发射的信号寄生了设备指纹经过Bob端发射的信号寄生了设备指纹经过Alice端接收的信号寄生了设备指纹经过Bob端接收的信号寄生了设备指纹此外，Alice和Bob设备之间还存在着一定的载波频率偏移。定义Alice的晶体振荡器产生的载波频率为f₀，Bob的晶体振荡器产生的载波频率为f₀+Δf。

由于设备指纹的存在，传统的在TDD模式下测量得到的信道特征拥有一定的不互易性。因此生成的密钥将会有较大的不一致性。此外，由于收发双方晶体振荡器产生的载波频率不同，Alice和Bob之间的通信需要有频偏估计算法去补偿接收信号的频偏。

联合时频双工的共享信道特征获得方法具体的实施过程包括了生成信道测量信号，使用频段1传输信号，使用频段2传输回传信号和估计信道特征4个步骤。以上4个步骤的算法流程图如图2所示。其算法实施的细节图如图3所示。下面将基于算法实施的细节分别针对这4个步骤进行说明：

生成信道测量信号

Alice和Bob分别生成信道测量信号。信道测量信号如果是多载波调制信号，Alice和Bob生成的多载波信道测量信号应具有相同的子载波数和带宽。信道测量信号如果是单载波信号，Alice和Bob生成的单载波信道测量信号应该具有相同的码元速率。在本说明中，假设Alice生成的信道测量信号为P，Bob生成的信道测量信号为Q。

使用频段1传输信号

Alice和Bob使用频段1将生成的信道测量信号传输给对方。由于使用的是相同的频段，在传输的过程采用TDD的方式，即在第一个时刻，Alice将信道测量信号传输给Bob，传输的信道测量信号叠加了频段1的信道响应并寄生了Alice发射端的设备指纹和Bob接收端的设备指纹。经过频段1的信道传输，Bob接收到的Alice传输信号为：

在第二个时刻，Bob将信道测量信号传输给Alice，传输的信道测量信号叠加了频段1的信道响应并寄生了Bob发射端的设备指纹和Alice接收端的设备指纹。经过频段1的信道传输，Alice接收到的Bob传输信号为：

此外，Bob收到的信号具有Δf的载波频偏，Alice收到的信号具有-Δf的载波频偏。

使用频段2传输回传信号

Alice和Bob接收到传来的信号后，可以不对信号进行处理，或是对接收的信号进行归一化，将能量调整至合适的发射值。

Alice和Bob分别将归一化后的信号通过频段2传输给对方。Alice发送的信号含有接收到的信道响应以及-Δf的载波频偏，Bob发送的信号含有接收到的信道响应以及Δf的载波频偏。

在回传信号时，由于Alice和Bob都使用频段2，因此采用TDD的方式传输。即在第一个时刻，Bob将频段1接收到的信号回传给Alice，回传的信号叠加了频段2的信道响应并寄生了Bob发射端的设备指纹和Alice接收端的设备指纹。经过频段2的信道传输，Alice接收到的Bob传输的信号为：

由于Bob到Alice之间的信道有-Δf的频偏，Bob在频段1接收到的Alice传来的信号有Δf的频偏，因此Alice接收到的信号不会有频偏。

在第二个时刻，Alice将频段1接收到的信号回传给Bob，回传的信号叠加了频段2的信道响应并寄生了Alice发射端的设备指纹和Bob接收端的设备指纹。经过频段2的信道传输，Bob接收到的Alice传输的信号为：

由于Alice到Bob之间的信道有Δf的频偏，Alice在频段1接收到的Bob传来的信号有-Δf的频偏，因此Bob接收到的信号也不会有频偏。

估计信道特征

经过回传信号，Alice可以获得没有频偏的信号Bob可以获得没有频偏的信号由于Alice和Bob分别知道发射的信道测量信号P和Q，Alice可以估计得到信道特征：

Bob可以估计得到信道特征：

由于信道响应在不同的频段下具有互易性，即因此Alice和Bob可以在有设备指纹的情况下获得互易的信道特征。

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。

有窃听者情况下安全性分析

考虑有窃听者Eve存在，Eve可以监听每一个频段的通信，并能截取Alice和Bob通信过程中的每一个信号。加入Eve的通信模型如图4所示。Eve监听Alice在频段1的信道响应为Eve监听Alice在频段2的信道响应为Eve监听Bob在频段1的信道响应为Eve监听Bob在频段2的信道响应为假设Eve拥有理想的设备，即没有接收端的设备指纹。

在Alice和Bob使用频段1传输信号时，Eve可以监听到信道响应为和在Alice和Bob使用频段2传输信号时，Eve可以监听到的信道响应为和由于 Eve通过监听获得的信道响应无法获得Alice和Bob共有的信道特征或

系统性能仿真

在系统性能方针环节，本专利使用LTE信道模型，并假设Alice和Bob有不同的设备指纹和使用频域子载波信道响应的幅度信息生成密钥。其仿真结果如图5所示。从图中可以看出，传统的TDD系统由于设备指纹的存在，Alice和Bob得到的信道特征并不一致。因此即使在很高的信噪比下依然会有较高的生成密钥错误率，从而影响整体的系统性能。在联合时频双工的共享信道特征获得方法中，Alice和Bob可以完全克服设备指纹对估计得到的信道特征互易性的影响，从而大大降低生成密钥错误率，提高了整体系统的性能。

Claims (6)

1.一种联合时频双工的共享信道特征获得方法，其特征在于，该方法中，通信双方使用两个频段，通过在第一个频段不同的时间互相传输信道测试信号并将接收到的信号使用另一个频段不同时间回传给对方，从而得到含有信道特征和设备指纹特征的信道特征联合信息，获得联合信道信息被用于生成安全通信用的密钥，其具体的步骤如下：

步骤A，通信双方各自生成信道测量信号；

步骤B，通信双方使用频段1 进行传输：首先通信双方的一端将生成的信道测量信号通过频段1 传给对方，之后通信双方的另一端在另一个时刻将生成的信道测量信号通过频段1 传给对方；双方都接收到对方的信道测量信号；

步骤C，通信双方将步骤B 中接收到的信道测量信号使用频段2 回传给对方：首先通信双方的一端将接收到的信号通过频段2 回传给对方，之后通信双方的另一端将接收到的信号在另一个时刻将接收到的信号通过频段2 回传给对方；双方都接收到对方回传的信道测量信号；

步骤D，通信双方通过步骤C 接收到的信号，估计信道信息，得到含有2 个频段信道特征和双方设备指纹特征的信道特征联合信息。

2.根据权利要求1 所述的联合时频双工的共享信道特征获得方法，其特征在于，步骤A所述的信道测量信号为多载波信号或单载波信号。

3. 根据权利要求1 所述的联合时频双工的共享信道特征获得方法，其特征在于，步骤C 中，通信双方在接收到对方使用频段1 传来的信号后，不对信号进行处理，或者只是将接收信号能量放大至合适的发射能量后，将信号通过频段2传给对方。

4. 根据权利要求1 所述的联合时频双工的共享信道特征获得方法，其特征在于，步骤D 中，在使用多载波通信时应估计信道频率响应每一个子载波的幅度和相位信息；在使用单载波通信时，估计信道的冲击响应及多普勒频偏。

5.根据权利要求1 所述的联合时频双工的共享信道特征获得方法，所述的两个不同的频段，是TDD 通信系统原有频谱被分割的两个频段，或是同一个频谱被分割成多个频段后，按照一定的图样顺序规定的不同频段。

6.根据权利要求1-5 任一项所述的联合时频双工的共享信道特征获得方法，其特征在于，该方法既能用于无线通信系统，也能用于有线通信系统。