一种人工干扰辅助的共享随机数生成方法与流程

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种利用人工干扰辅助的共享随机数生成方法。

背景技术：

近年来，无线通信技术发展迅速，通信安全开始成为人们关注的焦点。有线通信通过有线介质完成，利用有线介质之间物理隔离的特点大大的提高了通信的安全性。而对于无线通信来说，通信信息通过广播的形式发送出去，传输距离大、范围广，为人们通信带来方便的同时易被窃听，需要利用更加严密的安全机制确保通信安全。在现有的无线通信安全体制中，共享随机数具有极其重要的作用，事先分发的共享随机数可以作为无线终端的身份认证信息，也能够作为加密序列的生成种子。随着第五代移动通信技术的出现，无线终端的数量将呈爆炸性增长，因此需要更加安全与便捷的共享随机数分发方式。

在无线通信中，发送信号在空间中进行自由传播，最终到达接收方，其传播路径是随机的，即无线信道是一种天然的随机源。而对于合法的无线通信双方来说，已有研究表明，其上下行信道具有互易性，即在相干时间内可认为信道参数不变，合法通信双方可以通过信道估计获得两者之间的信道参数。因此合法通信双方间的无线信道又具有可测性。利用无线信道的这些固有的特性提取共享随机数已经成为一个重要的研究热点。

然而，目前共享随机数生成方案中，主要通过采用信道估计得到信道信息，并从中提取共享随机数，主要存在以下两个问题：一、发方拥有的天线数往往远大于接收方节点所拥有的天线数，双方拥有的信号处理能力存在着巨大差异。例如在蜂窝移动通信场景下，发方（基站）配备天线阵列（如mimo），信道数量大幅上涨，接收方（移动台）完成大量信道估计的代价很大；二、共享随机数的更新完全依赖于自然信道的变化，当信道变化较慢时，影响共享随机数的更新速率和生成长度，降低了安全性能。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种人工干扰辅助的共享随机数生成方法，使得合法通信双方在正常通信过程中，直接从发送和接收信号中提取共享随机数，使接收方避免信道估计的过程，减少对自然信道的依赖性，同时发送人工干扰降低窃听方对发送信号的截获概率，易于与现有的通信协议相结合。

本发明通过以下技术方案实现：

一种人工干扰辅助的共享随机数生成方法，包括如下步骤：

步骤1、接收方向发方发送导频序列或事先约定的训练序列，发方根据导频序列或事先约定的训练序列计算自身天线与接收方天线间的信道估计值；

步骤2、发方针对接收方生成待发送源信号，源信号为用于共享随机数生成的随机信号、待发送的载有业务数据或信令信息的常规通信信号、或所述随机信号与常规通信信号两者的组合；

步骤3、发方根据步骤1所得信道估计值计算信道零空间，并生成人工干扰；发方选择待发送源信号的发送方式，同时发方选择全部或部分天线向接收方发送源信号，并确定该接收方接收天线上的接收信号幅度与相位；

步骤4、发方同时发送源信号与人工干扰，根据步骤1中得到的信道估计值、步骤2生成的待发送源信号、步骤3选择的发送方式及事先约定的接收方信号接收方式计算接收方天线的接收信号，发方生成与接收方相对应的共享随机数；

步骤5、接收方对接收信号进行采样量化处理，并生成与发方相对应的共享随机数；

步骤6、发方与接收方对各自的共享随机数进行一致性协商，纠正共享随机数中的不一致位，并生成发方与接收方的最终共享随机数。

还包含如下步骤：

步骤7、通过返回步骤1或步骤2重新依次执行后续步骤，更新最终共享随机数。

当接收方为多天线时，步骤4中发方计算接收方所有天线的接收信号，步骤5中接收方对所有天线上的接收信号进行采样量化处理。

当存在多个接收方时，包括如下步骤：

步骤1、各个接收方向发方发送导频序列或事先约定的训练序列，发方根据导频序列或事先约定的训练序列计算自身天线与每个接收方天线间的信道估计值；

步骤2、发方针对每个接收方生成待发送源信号，源信号为用于共享随机数生成的随机信号、待发送的载有业务数据或信令信息的常规通信信号、或所述随机信号与常规通信信号两者的组合；

步骤3、发方根据步骤1所得信道估计值对各接收方信道零空间生成人工干扰，选择待发送源信号的发送方式，针对每个接收方分别选择全部或部分天线发送源信号，并分别确定每个接收方所有天线上的接收信号幅度与相位；

步骤4、发方同时发送源信号与人工干扰，根据步骤1中得到的信道估计值、步骤2生成的待发送源信号、步骤3选择的发送方式及事先约定的接收方信号接收方式计算每个接收方所有天线的接收信号，发方分别对计算出的每个接收方所有天线的接收信号进行采样量化处理，分别生成与各接收方相对应的共享随机数；

步骤5、各个接收方对接收信号进行采样量化处理，并生成与发方相对应的共享随机数；

步骤6、发方与各个接收方对各自的共享随机数进行一致性协商，纠正共享随机数中的不一致位，并生成发方与各个接收方相对应的最终共享随机数。

步骤1中信道估计可采用最小二乘法，且在相干时间内完成。

步骤2中可采用伪随机序列作为源信号。

步骤3中信道零空间定义如下：设合法通信双方间的信道矩阵为，则零空间，其中，x表示零空间内的向量。

步骤5中的采样量化处理方式可采用均匀量化方式，且量化方式为通信双方已知。

步骤6中一致性协商可采用cascade算法或winnow算法。

本发明与现有技术相比，具有以下明显优点：

1、本发明利用接收方节点接收信号的随机特性进行物理层加密，在接收方节点不进行信道估计的条件下，从接收方随机信号中，直接提取共享随机数，确保共享随机数的安全性，减少传统共享随机数生成方法中接收方进行信道估计的环节，减少对自然信道的依赖性，易于控制；利用信道互易性保证共享随机数分发，利用信号本身具有的随机特性确保共享随机数安全性，相对于传统的共享随机数生成方法，针对发方与接收方资源不对等的情况下，接收方无需进行大量的信道估计运算，易于实现，为一种轻量级的加密方法。

2、本发明共享随机数生成的通信过程可以随正常通信过程同时进行，不增加额外的通信步骤，便于与现有的通信协议相结合；生成的共享随机数安全性同时来自于自然信道的随机性及发送信号本身的随机性，即使在自然信道慢变的条件下依然可以通过人工控制随机序列的概率分布来保证生成足够长的共享随机数，保证接收信号具有更好的随机性，减少对自然信道的依赖性，方便控制。

3、本发明在发送用于共享随机数生成的源信号的同时发送人工干扰，降低了窃听方的接收信噪比，增大了窃听难度，使生成的共享随机数的安全性更强。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明在接收方为多天线场景下的点对点通信方案流程示意图；

图3为本发明在接收方为单天线场景下的点对点通信方案流程示意图；

图4为本发明在接收方为多天线场景下的点对多点通信方案流程示意图；

图5为本发明在接收方为单天线场景下的点对多点通信方案流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明，并通过优选的实施例详细说明本发明的实施方式，但本发明的实施方式并不限于此。

如图1所示，本发明的人工干扰辅助的共享随机数生成方法如下所述。

步骤1、接收方向发方发送导频序列或事先约定的训练序列，发方根据导频序列或事先约定的训练序列计算自身天线与接收方天线间的信道估计值；该信道估计值的计算可以采用现有的采用最小二乘法，且在相干时间内完成。

步骤2、发方针对接收方生成待发送源信号，源信号为用于共享随机数生成的随机信号、待发送的载有业务数据或信令信息的常规通信信号、或所述随机信号与常规通信信号两者的组合。本发明中可采用但不限于使用伪随机序列作为源信号。

步骤3、发方根据步骤1所得信道估计值计算信道零空间，并生成人工干扰；发方选择待发送源信号的发送方式，同时发方选择全部或部分天线向接收方发送源信号，并确定该接收方接收天线上的接收信号幅度与相位；上述可选择的信号的发送方式为现有技术；信道零空间定义如下：设合法通信双方间的信道矩阵为，则零空间，其中，x表示零空间内的向量，人工干扰可从零空间内随机选出。

步骤4、发方同时发送源信号与人工干扰，根据步骤1中得到的信道估计值、步骤2生成的待发送源信号、步骤3选择的发送方式及事先约定的接收方信号接收方式计算接收方天线的接收信号，发方生成与接收方相对应的共享随机数；

接收信号由发送信号与信道决定，通常令发送信号卷积信道就可以得到接收信号。

步骤5、接收方对接收信号进行采样量化处理，并生成与发方相对应的共享随机数；

步骤6、发方与接收方对各自的共享随机数进行一致性协商，纠正共享随机数中的不一致位，并生成发方与接收方的最终共享随机数；一致性协商可采用cascade算法或winnow算法。

步骤7、通过返回步骤1或步骤2重新依次执行后续步骤，更新最终共享随机数。

本发明中，当所述接收方为多天线时，仍旧执行所述步骤1至步骤6，与上述步骤的不同之处在于：步骤4中，发方需要计算接收方所有天线的接收信号，步骤5中接收方需要对所有天线上的接收信号进行采样量化处理。该采样量化处理方式可采用均匀量化方式，且量化方式为通信双方已知。

接收方可能是上述步骤1~7中的一个，也可能是多个，当存在多个接收方时，上述步骤1~7有部分变化，具体如下所述：

步骤1、多个接收方的各个接收方向发方发送导频序列或事先约定的训练序列，发方根据导频序列或事先约定的训练序列计算自身天线与每个接收方天线间的信道估计值；

步骤2、发方针对每个接收方生成待发送源信号，源信号为用于共享随机数生成的随机信号、待发送的载有业务数据或信令信息的常规通信信号、或所述随机信号与常规通信信号两者的组合；

步骤3、发方根据步骤1所得的信道估计值对各接收方的信道零空间生成人工干扰，选择待发送源信号的发送方式，针对每个接收方分别选择全部或部分天线发送源信号，并分别确定每个接收方所有天线上的接收信号幅度与相位；

步骤4、发方同时发送源信号与人工干扰，根据步骤1中得到的信道估计值、步骤2生成的待发送源信号、步骤3选择的发送方式及事先约定的接收方信号接收方式计算每个接收方所有天线的接收信号，发方分别对计算出的每个接收方所有天线的接收信号进行采样量化处理，分别生成与各接收方相对应的共享随机数。

步骤5、各个接收方对接收信号进行采样量化处理，并生成与发方相对应的共享随机数；

步骤6、发方与各个接收方对各自的共享随机数进行一致性协商，纠正共享随机数中的不一致位，并生成发方与各个接收方相对应的最终共享随机数。

实施例一

如图2所示，在点对点通信场景下利用接收方接收信号，在通信过程中直接生成共享随机数，此场景下，天线数较多的一端为发方，另一端为接收方，当收发两端均为多天线时，包括下列步骤：

步骤100：接收方向发方发送导频序列或其它事先约定的训练序列，发方各天线利用接收的导频信号估计出信道的各项参数，发方保存信道参数，用于后续的计算工作；此步骤中，信道估计可采用但不限于最小二乘法（ls），且需要在相干时间内完成；

步骤200：发方针对该接收方生成待发送的源信号，该源信号可以是专门为产生共享随机数而特意生成的随机或特定信号，也可以是待发送的载有业务数据或信令信息的常规通信信号，或上述两种方式的组合；此步骤中，可以采用周期较长的m序列，即伪随机序列作为源信号；

步骤300：发方根据步骤100所得信道估计值对信道零空间生成人工干扰，选择源信号的发送方式，发方选择全部或部分天线向该接收方发送源信号，并确定所有向该接收方发送信号的天线上信号的幅度与相位；

步骤400：发方同时发送源信号与人工干扰，利用信道参数、生成的源信号、发送方式及事先约定好的接收方信号接收方式计算出接收方各天线的接收信号并进行采样量化处理，生成与该接收方相对应的共享随机数；

步骤500：接收方选择事先与发方约定好的方式处理接收信号，对处理结果进行采样，也可直接对所有接收天线上的接收信号进行采样；并对采样结果进行量化处理，生成与发方相对应的共享随机数；

此步骤中，可以采用简单的均匀量化方式，也可以采用其它量化方式，但量化方式需要合法通信双方已知；

步骤600：发方与接收方进行协商，纠正双方生成的共享随机数中的不一致位，生成最终共享随机数；

此步骤中，一致性协商可以简单的采用cascade算法或winnow算法，也可以根据需要采取其它协商算法。

步骤700：如需要增加共享随机数长度或更新共享随机数，根据实际工作需求，可以选择返回步骤100重新开始执行，或返回步骤200重新开始执行。

实施例二

此例中收发两端均为单天线或仅接收方为单天线，图3所示为接收方为单天线的场景，具体实现步骤与实施例三相同，不同之处在于：

步骤400：发方发送源信号，利用得到的信道估计值、生成的源信号、发送方式及事先约定好的接收方信号接收方式计算出接收方天线的接收信号并采样量化，生成与该接收方相对应的共享随机数；

步骤500：接收方选择事先与发方约定好的方式处理接收信号，对处理结果进行采样，或直接对天线上的接收信号进行采样；并对采样结果进行量化处理，生成与发方相对应的共享随机数；

上述步骤中，可以采用简单的均匀量化方式，也可以采用其它量化方式，但量化方式需要合法通信双方已知；

并依次执行实施例一中的后续步骤。

实施例三，

参见图4所示，在点对多点通信场景下利用接收方接收信号在通信过程中直接生成共享随机数，发方及各接收方均为多天线时，具体包含如下步骤：

步骤100：各接收方分别向发方发送导频序列或其它事先约定的训练序列，发方各天线利用接收的导频信号估计出自身天线与各接收方天线间的信道参数，发方保存信道参数用于后续的计算工作；

此步骤中，信道估计可采用但不限于最小二乘法（ls），且需要在相干时间内完成；

步骤200：发方针对不同的接收方分别生成待发送的源信号，该源信号可以是专门为产生共享随机数而特意生成的随机或特定信号，也可以是待发送的载有业务数据或信令信息的常规通信信号，或上述两种方式的组合；

此步骤中，可以采用周期较长的m序列，即伪随机序列作为源信号；

步骤300：发方根据步骤1所得信道估计值对各接收方信道零空间生成人工干扰，选择源信号的发送方式，发方针对每个接收方选择全部或分别选择部分天线发送源信号，分别确定向每个接收方发送信号的各个天线上信号的幅度与相位；

步骤400：发方同时发送源信号与人工干扰，利用得到的信道参数、生成的源信号、发送方式及事先约定好的接收方信号接收方式计算出每个接收方所有天线的接收信号并采样量化，生成与各接收方相对应的共享随机数；

步骤500：各接收方分别选择事先与发方约定好的方式处理接收信号，对处理结果进行采样，也可直接对各自所有接收天线上的接收信号进行采样；各接收方分别对采样结果进行量化处理，生成各自与发方相对应的共享随机数；

此步骤中，可以采用简单的均匀量化方式，也可以采用其它量化方式，但量化方式需要合法通信双方已知；

步骤600：发方与各接收方进行共享随机数协商，纠正双方生成的共享随机数中的不一致位，生成最终共享随机数；

此步骤中，一致性协商可以简单的采用cascade算法或winnow算法，也可以根据需要采取其它协商算法。

步骤700：如某个或某些接收方需要增加共享随机数长度或更新共享随机数，可以为这个或这些接收方选择返回步骤100重新开始执行，或根据实际工作需要，为这个或这些接收方选择返回步骤200重新开始执行。

实施例四

参见图5所示，此时发方和所有接收方均为单天线或仅各接收方为单天线时，图5所示为接收方为单天线的场景，具体实现步骤与实施例三相同，不同之处在于：

步骤400：发方发送源信号，利用得到的信道估计值、生成的源信号、发送方式及事先约定好的接收方信号接收方式计算出每个接收方天线的接收信号并采样量化，生成与各接收方相对应的共享随机数；

步骤500：各接收方选择事先与发方约定好的方式处理接收信号，对处理结果进行采样，或直接对接收天线上的接收信号进行采样；并对采样结果进行量化处理，生成各自与发方相对应的共享随机数；

上述步骤中，可以采用简单的均匀量化方式，也可以采用其它量化方式，但量化方式需要合法通信双方已知；

并依次执行实施例三中的后续步骤。

本发明利用信道互易性保证共享随机数分发，同时利用信号本身具有的随机特性确保共享随机数安全性，相对于传统的共享随机数生成方法，接收方无需进行大量的信道估计运算，易于实现；共享随机数生成过程可随正常通信过程同时进行，不增加额外通信步骤，便于与现有通信协议相结合；生成的共享随机数安全性同时来自于自然信道的随机特性及发送信号本身的随机特性，即使在自然信道慢变的条件下依然可以通过人工控制随机序列的概率分布来保证生成共享随机数的长度，安全可靠，易于控制；发送信号用于完成共享随机数生成的同时在信道矩阵的零空间内发送人工干扰，降低窃听者截获概率，提高了生成共享随机数的安全性。

本发明并不局限于上述具体实施方式，本领域技术人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或者类似的变化都应涵盖在本发明权利要求的范围内。