一种基于载波选择的多载波物理层密钥生成方法及其系统

本发明涉及一种基于载波选择的多载波物理层密钥生成方法及其系统，属于无线通信。

背景技术：

1、物理层密钥生成算法利用时分双工无线信道的短时互易性，可以在信道相干时间内获取高相似度的物理层信道特征，这为生成一致性物理层密钥提供了理论基础。物理层密钥不仅能为上层加密技术提供必要辅助，也能为资源有限的设备和场景提供可靠的通信安全。

2、在物理层密钥生成算法中，需要对物理层信道进行信道估计提取信道特征，无论是信道冲激响应还是接收信号强度，都和无线信道有很强的相关性，没有在获取信道估计信息前对无线信道进行感知利用。实际通信场景中，当有其他信号占用无线信道或信道噪声太大时，无线信道的互易性不理想，会影响物理层密钥生成，从而增大物理层密钥的不一致率，降低密钥生成速率。

技术实现思路

1、针对上述存在的问题，本发明提供了一种基于载波选择的多载波物理层密钥生成方法，通过两次子信道选择使得子载波能够避开其他信号干扰，降低噪声影响，从而降低物理层密钥生成的不一致率。

2、本发明为解决上述技术问题采用的技术方案如下：

3、一种基于载波选择的多载波物理层密钥生成方法，具体包括以下步骤：

4、s1、载波选择过程：

5、s11、通信双方根据通信频段和子载波数量，将无线信道划分为多个子信道；

6、s12、通信双方对其各个子信道进行频谱感知，选择出本地空闲子信道，然后通信双方将本地空闲子信道通过控制信道发送给对方，融合得到公共空闲子信道；

7、s13、通信双方分别在其公共空闲子信道对应的子载波发送导频训练序列，计算各个公共空闲子信道的接收信噪比，并以此进行排序筛选，选择出本地子载波；

8、s14、通信双方将各自的本地子载波选择结果通过控制信道互相发送给对方，融合得到公共子载波；

9、s2、密钥生成过程：通信双方提取步骤s1中获得的公共子载波上的导频训练序列，对无线信道进行信道估计，获取无线信道状态信息；通信双方对无线信道状态信息进行量化编码生成初始密钥，通过对初始密钥协商，获取一致性密钥。

10、进一步的，步骤s11中，当多载波信号为正交频分复用，即ofdm时，通信双方根据ofdm通信频段的带宽以及ofdm子载波数量，计算得到每个子载波的带宽，其中计算公式如下：

11、；

12、之后，通信双方根据子载波数量和子载波带宽，将整体信道划分为个带宽与子载波带宽相等的子信道；每个子信道的中心频点为各个ofdm子载波的频点。

13、进一步的，步骤s12中对各个子信道进行频谱感知，选择出本地空闲子信道的内容包括：

14、首先，通信双方采集时域信息，通过快速傅里叶变换fft转换为频域信息，从而获得通信频段的频谱信息；然后计算各个子信道带宽内的信号幅度均值，其中设置信号阈值判断此信道是否被占用，即当计算得到的子信道带宽内的信号幅度均值大于阈值时代表此信道已被占用；当计算得到的子信道带宽内的信号幅度均值小于阈值时代表此信道为空闲状态；最后通信双方各选择出小于阈值的子信道，将其标记为本地空闲子信道。

15、进一步的，步骤s12中融合得到公共空闲子信道的具体内容包括：通信双方在在得到本地空闲子信道后，将结果集合通过控制信道发送给对方；通信双方接收到对方的结果集合后，与本地空闲子信道取交集得到公共空闲子信道。

16、进一步的，步骤s13具体包括：通信双方在融合得到公共空闲子信道之后，在每个公共空闲子信道对应的子载波上发送导频训练序列，并接收对方的子载波信号；双方对子载波中的导频训练序列进行信道估计，计算出每个子载波的接收信噪比，并对其进行排序；最后通信双方根据排序结果选择前个接收信噪比高的子载波，作为本地子载波。

17、进一步的，步骤s14中融合得到公共子载波的具体内容包括：通信双方在选择出本地子载波后，将结果集合通过控制信道发送给对方；通信双方接收到对方的结果集合后，与本地子载波取交集得到若干个公共子载波，其中，所述公共子载波的数量小于等于。

18、进一步的，步骤s2中通信双方对无线信道状态信息进行量化编码生成初始密钥的具体内容包括：通信双方对每个公共子载波进行信道估计得到无线信道状态信息后，从无线信道状态信息中提取随机信道信息，并对其进行量化编码生成初始比特序列；通信双方将生成的所有初始比特序列按顺序进行拼接得到初始密钥。

19、进一步的，所述量化编码采用幅度相位联合量化编码。

20、另一方面，本发明还一种基于载波选择的多载波物理层密钥生成系统，其包括信号收发模块、频谱感知模块、载波选择模块、信道测量模块、量化编码模块和密钥协商模块，其中：

21、信号收发模块，用于多载波信号的预处理以及发送和接收；

22、频谱感知模块，用于对无线通信信道进行频谱感知，选择出空闲子信道；

23、信道测量模块，用于获取信道状态信息和接收信噪比；

24、载波选择模块，用于对接收信噪比排序筛选，选择参与物理层密钥生成的子载波；

25、量化编码模块，用于从信道估计信息中获取幅度信息和相位信息，并进行量化编码生成初始密钥；

26、密钥协商模块，用于通信双方通过纠错码生成校验子并发送对方进行校验纠错，生成一致性密钥；

27、所述系统中各模块的组合工作过程如下：

28、首先，通信双方通过频谱感知模块获取本地空闲子信道，并由信号收发模块将双方的本地空闲子信道相互告知给对方，融合得到公共空闲子信道；

29、其次，通信双方用信号收发模块在公共空闲子信道对应的子载波上发送导频训练序列；通信双方通过信道测量模块得到公共空闲子信道的信噪比；

30、然后，通信双方通过载波选择模块得到选择的本地子载波，并由信号收发模块将双方的本地子载波相互告知给对方，融合得到公共子载波；

31、最后，通信双方根据公共子载波，从信号收发模块中提取出对应的导频训练序列，并通过信道测量模块和量化编码模块获得初始密钥，再由密钥协商模块生成一致性密钥。

32、与现有物理层密钥生成方法相比，本发明的技术方案具有以下的技术效果：

33、1. 本发明利用频谱感知，能选择出没有信号干扰的空闲子信道，利用信噪比排序筛选，能选择出信噪比较高的子载波。两次子信道选择使得子载波既能避开其他信号干扰，又能降低噪声对其的影响，从而降低了物理层密钥生成的不一致率。此外，相比于单载波生成物理层密钥，多载波物理层密钥能在一次接收中从信道中获取更多特征值，提高密钥生成速率。

34、2. 本发明利用无线传输信道的互易性、时变性和空时唯一性，在每次信道测量都可实现“一次一密”，为无线通信提供可靠的安全性。

技术特征：

1.一种基于载波选择的多载波物理层密钥生成方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于载波选择的多载波物理层密钥生成方法，其特征在于，步骤s11具体包括：通信双方根据通信频段以及子载波数量，将无线信道划分为多个子信道；当多载波信号为正交频分复用，即ofdm时，通信双方根据ofdm通信频段的带宽以及ofdm子载波数量，计算得到每个子载波的带宽，其中计算公式如下：

3.根据权利要求1所述的一种基于载波选择的多载波物理层密钥生成方法，其特征在于，步骤s12中对各个子信道进行频谱感知，选择出本地空闲子信道的内容包括：

4.根据权利要求1所述的一种基于载波选择的多载波物理层密钥生成方法，其特征在于，步骤s12中融合得到公共空闲子信道的具体内容包括：通信双方在在得到本地空闲子信道后，将结果集合通过控制信道发送给对方；通信双方接收到对方的结果集合后，与本地空闲子信道取交集得到公共空闲子信道。

5.根据权利要求1所述的一种基于载波选择的多载波物理层密钥生成方法，其特征在于，步骤s13具体包括：通信双方在融合得到公共空闲子信道之后，在每个公共空闲子信道对应的子载波上发送导频训练序列，并接收对方的子载波信号；双方对子载波中的导频训练序列进行信道估计，计算出每个子载波的接收信噪比，并对其进行排序；最后通信双方根据排序结果选择前个接收信噪比高的子载波，作为本地子载波。

6.根据权利要求1所述的一种基于载波选择的多载波物理层密钥生成方法，其特征在于，步骤s14中融合得到公共子载波的具体内容包括：通信双方在选择出本地子载波后，将结果集合通过控制信道发送给对方；通信双方接收到对方的结果集合后，与本地子载波取交集得到若干个公共子载波，其中，所述公共子载波的数量小于等于。

7.根据权利要求1所述的一种基于载波选择的多载波物理层密钥生成方法，其特征在于，步骤s2中通信双方对无线信道状态信息进行量化编码生成初始密钥的具体内容包括：通信双方对每个公共子载波进行信道估计得到无线信道状态信息后，从无线信道状态信息中提取随机信道信息，并对其进行量化编码生成初始比特序列；通信双方将生成的所有初始比特序列按顺序进行拼接得到初始密钥。

8.根据权利要求7所述的一种基于载波选择的多载波物理层密钥生成方法，其特征在于，所述量化编码采用幅度相位联合量化编码。

9.一种基于载波选择的多载波物理层密钥生成系统，其特征在于，包括信号收发模块、频谱感知模块、载波选择模块、信道测量模块、量化编码模块和密钥协商模块，其中：

技术总结
本发明公开了一种基于载波选择的多载波物理层密钥生成方法，属于无线通信技术领域，包括以下步骤：S1、载波选择过程：通信双方根据通信频段和子载波数量将无线信道划分为多个子信道；通信双方对各个子信道进行频谱感知，选择出本地空闲子信道并通过控制信道发送给对方，融合得到公共空闲子信道；通信双方在公共空闲子信道对应的子载波发送导频训练序列，计算各个公共空闲子信道的接收信噪比并以此进行排序筛选，选择出本地子载波；然后通过控制信道互相发送给对方，融合得到公共子载波；S2、密钥生成过程。相比于现有物理层密钥生成方法，本发明利用多载波能有效提高物理层密钥的生成速率，同时借助子载波选择能降低物理层密钥的不一致率。

技术研发人员：朱佳,蔡文可,邹玉龙,储钟淼,林致贤
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14