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基于主成分分析的信道互易性增强方法技术

技术编号:14116497 阅读:279 留言:0更新日期:2016-12-07 22:30
本发明专利技术公开了一种基于主成分分析的信道互易性增强方法,首先由无线通信双方Alice与Bob分别采集上行与下行信道特征的测量值,然后对采集到的上行与下行信道特征测量值分别进行样本分组划分,得到信道特征样本组,无线通信方Alice和Bob再对每个所述的信道特征样本组进行主成分分析处理,最终得到具有高互易性的处理结果。本发明专利技术解决了由测量噪声和环境噪声引起的信道特征测量值互易性降低及由测量值之间高度相关造成的无线信道生成密钥随机性不够的问题。本发明专利技术用于增强无线通信系统的安全性,可具体应用于安全通信、军事通信等领域,可扩展至多节点通信场景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于通信安全领域,涉及无线通信系统中的密钥生成技术。
技术介绍
随着科技的发展,无线通信设备急剧增加,而无线传输媒介的开放性、无线终端的移动性和网络结构的不稳定性也使得传输的可靠性和安全性面临着严峻的考验。传统安全方案是在网络层通过公私密钥对数据进行加密,而私钥加密面临密钥管理与分发的问题,而公钥加密的复杂度过高。然而目前正在推广使用的LTE/LTE-Advanced甚至在正在完善的第五代移动通信标准中,高的数据传输速率对加解密实时性、复杂度和延时等提出了更加严格的要求。另外,在无线传感器网络及无线自组织网络等目前在军事和民用中都得到了广泛的使用的新型网络中,节点通常以电池供电,无法负担传统的加解密算法的功率与成本的开销。此外,传统的加密算法大多基于现有的计算机无法在短时间内对其进行破解。随着拥有迅速执行巨量复杂的因数分解能力的量子计算机的出现,很多传统的加密方法将不再可靠。与此同时,利用无线信道的多径、互易性、空间唯一性等传输特性的物理层安全方案得到了国内外的广泛关注。根据无线信道的互易性,通信双方同一时间同一频率发送的信号将经历相同的衰落特性。在时分双工系统中,若通信双方的导频发送时间差不超过相干时间,双方之间的信道高度相关,而任何一个距离通信双方半个波长之外的第三方观测到的信道都与该信道相关性极低。因而,通信双方利用以上时分双工系统中的无线信道特性作为天然的随机源生成密钥,解决了传统私钥加密的密钥分配和管理困难的问题。近些年,除了理论分析,时分双工系统下无线信道密钥生成方案的实验分析也得到发展,分析结果指出在实际系统中,受到时间差、硬件指纹和测量噪声等因素的影响,通信双方生成的密钥一致性较差;此外,在多载波和多天线系统中,信道观测值的频率、空间和时间域的自相关系数较高,导致生成密钥的随机性较低。这些问题将严重影响到无线信道密钥生成方案的实际应用。
技术实现思路
技术问题:本专利技术提供一种在时分双工系统下提高通信双方生成密钥的一致性,去除测量值之间的时域、频域和空间域的自相关性,提高产生密钥随机性的基于主成分分析的信道互易性增强方法。技术方案:本专利技术的基于主成分分析的信道互易性增强方法,首先由无线通信双方Alice与Bob分别采集上行与下行信道特征的测量值,然后对采集到的上行与下行信道特征测量值分别进行样本分组划分,得到信道特征样本组,无线通信方Alice和Bob再对每个所述的信道特征样本组进行主成分分析处理,最终得到具有高互易性的处理结果;其中,对每个信道特征样本组的主成分分析处理的方法包括以下步骤:1)无线通信方Alice与无线通信方Bob分别获取信道特征样本组的特征值矩阵与特征向量矩阵;2)Alice与Bob分别对各自的特征值矩阵和特征向量矩阵进行排序,从排序后的特征向量矩阵截取列向量,组成各自的主成分变换矩阵;3)Alice与Bob分别将各自的当前信道特征样本组与其主成分变换矩阵相乘,得到变换后的主成分信号矩阵;4)Alice与Bob分别将各自在所述步骤3)中产生的主成分信号矩阵作为当前信道特征样本组的主成分分析处理结果输出。本专利技术方法的优选方案中,所述的上行与下行信道特征为Alice与Bob通过导频信号计算得到的接收信号强度、信道幅度、相位或信道状态信息特征;在多载波系统中,所述信道特征包括时域和频域的信道信息;在多天线系统中,所述信道特征包括时域和空间域的信道信息。本专利技术方法的优选方案中,所述信道特征测量值的样本分组划分方法如下:首先将信道特征测量值按相干带宽、相干天线和相干时间划分为多个信道特征样本:具有相同相干带宽、相干天线和相干时间参数范围的信道特征测量值按频率、天线、时间顺序组成一个列向量,将一个列向量作为一个信道特征样本,每个信道特征样本中信道特征测量值的个数作为该样本的长度;然后将所有信道特征样本按频率、天线、时间顺序组成信道特征样本组,所述信道特征样本组中样本的个数大于或等于样本的长度。本专利技术方法的优选方案中,所述步骤1)中,Alice与Bob通过如下三种方法中 的任一种获得特征值矩阵与特征向量矩阵:其一,Alice与Bob分别计算各自的信道特征样本组的协方差矩阵,并分别对各自的协方差矩阵进行特征值分解或者奇异值分解,获得各自的特征值矩阵与特征向量矩阵;其二,通信一方首先计算其信道特征样本组的协方差矩阵,然后将该协方差矩阵发送给通信另一方,所述通信另一方将接收到的协方差矩阵作为自己的协方差矩阵,然后通信双方分别对各自的协方差矩阵进行特征值分解或者奇异值分解,获得各自的特征值矩阵与特征向量矩阵;其三,通信一方首先计算其信道特征样本组的协方差矩阵,对所述协方差矩阵进行特征值分解或者奇异值分解,获得其特征值矩阵与特征向量矩阵,然后将该特征值矩阵与特征向量矩阵发送给通信另一方,所述通信另一方将接收到的特征值矩阵与特征向量矩阵作为自己的特征值矩阵与特征向量矩阵。本专利技术方法的优选方案中,所述步骤2)中,特征值矩阵和特征向量矩阵的排序方法为:将特征值矩阵按照特征值从大到小的顺序排列,按照该排序,同步调整特征向量矩阵中与特征值矩阵中特征值一一对应的特征向量的顺序,所述特征值为特征值矩阵中对角线上的元素,所述特征特征向量为特征向量矩阵中的列向量。本专利技术方法的优选方案中,所述步骤2)中,按照以下任一方法从排序后的特征向量矩阵截取列向量:其一,截取特征向量矩阵中主成分信噪比大于或等于用户定义的信噪比阈值的列向量,所述主成分信噪比为主成分变换矩阵中的各个特征向量对应的特征值与噪声方差的比值;其二,在排序后的特征向量矩阵中截取前若干个列向量,截取列向量的个数由Alice与Bob根据信道条件事先约定。本专利技术适用于多天线系统和宽带无线系统,利用主成分分析去除信道特征信号之间的时域、频域及空间域的相关性,以增强生成密钥的随机性;此外,由于越是主要的成分受到噪声的影响越小,通过将特征值从大到小排序并仅选用前一部分具有高主成分信噪比的特征向量构成主成分变换矩阵,该方法有效地提高了通信双方生成密钥的一致性。有益效果:与现有技术相比,本专利技术具有以下优点:现有的技术对量化后的信号采用长1和长0检测来降低长1和长0出现的概率以 增强密钥的随机性,但这种方法只能机械的去除固定长度相同的比特,并不能有效的提高密钥的随机性。现有的技术还有通过隐私放大对密钥协商后的比特流进行哈希映射来增强密钥的随机性,但如果需要进行密钥协商的比特流随机性差将会导致校验子泄露的信息量更大,去除校验子长度后的安全密钥所剩无几。此外,如果隐私放大前的信号的随机性太弱,窃听者可以通过字典攻击等方法破解密钥。本专利技术提出了利用主成分分析的方法,去除测量样本之间的时域、频域以及空间域的相关性,去除了数据冗余,提高了系统效率。本专利技术通过主成分分析将测量值投影在相互正交的各成分上,而测量噪声和环境噪声对特征值大的主成分的影响远小于对特征值小的成分。据此,通过舍弃部分特征值小的成分,而只利用特征值显著的主成分生成密钥有效地提高了主成分分析变换后信道特征的互易性,从而提高生成无线信道密钥的一致性。本专利技术的三种特征值矩阵与特征向量矩阵方法中,第一种方法下Alice和Bob没有传递任何信息,窃听者无法获得主成分信号矩阵,安全性得到保障;在第二和第本文档来自技高网
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基于主成分分析的信道互易性增强方法

【技术保护点】
一种基于主成分分析的信道互易性增强方法,其特征在于,该方法中,首先由无线通信双方Alice与Bob分别采集上行与下行信道特征的测量值,然后对采集到的上行与下行信道特征测量值分别进行样本分组划分,得到信道特征样本组,无线通信方Alice和Bob再对每个所述的信道特征样本组进行主成分分析处理,最终得到具有高互易性的处理结果;其中,对每个信道特征样本组的主成分分析处理的方法包括以下步骤:1)无线通信方Alice与无线通信方Bob分别获取信道特征样本组的特征值矩阵与特征向量矩阵;2)Alice与Bob分别对各自的特征值矩阵和特征向量矩阵进行排序,从排序后的特征向量矩阵截取列向量,组成各自的主成分变换矩阵;3)Alice与Bob分别将各自的当前信道特征样本组与其主成分变换矩阵相乘,得到变换后的主成分信号矩阵;4)Alice与Bob分别将各自在所述步骤3)中产生的主成分信号矩阵作为当前信道特征样本组的主成分分析处理结果输出。

【技术特征摘要】
1.一种基于主成分分析的信道互易性增强方法,其特征在于,该方法中,首先由无线通信双方Alice与Bob分别采集上行与下行信道特征的测量值,然后对采集到的上行与下行信道特征测量值分别进行样本分组划分,得到信道特征样本组,无线通信方Alice和Bob再对每个所述的信道特征样本组进行主成分分析处理,最终得到具有高互易性的处理结果;其中,对每个信道特征样本组的主成分分析处理的方法包括以下步骤:1)无线通信方Alice与无线通信方Bob分别获取信道特征样本组的特征值矩阵与特征向量矩阵;2)Alice与Bob分别对各自的特征值矩阵和特征向量矩阵进行排序,从排序后的特征向量矩阵截取列向量,组成各自的主成分变换矩阵;3)Alice与Bob分别将各自的当前信道特征样本组与其主成分变换矩阵相乘,得到变换后的主成分信号矩阵;4)Alice与Bob分别将各自在所述步骤3)中产生的主成分信号矩阵作为当前信道特征样本组的主成分分析处理结果输出。2.根据权利要求1所述的基于主成分分析的信道互易性增强方法,其特征在于,所述的上行与下行信道特征为Alice与Bob通过导频信号计算得到的接收信号强度、信道幅度、相位或信道状态信息特征;在多载波系统中,所述信道特征包括时域和频域的信道信息;在多天线系统中,所述信道特征包括时域和空间域的信道信息。3.根据权利要求1所述的基于主成分分析的信道互易性增强方法,其特征在于,所述信道特征测量值的样本分组划分方法如下:首先将信道特征测量值按相干带宽、相干天线和相干时间划分为多个信道特征样本:具有相同相干带宽、相干天线和相干时间参数范围的信道特征测量值按频率、天线、时间顺序组成一个列向量,将一个列向量作为一个信道特征样本,每个信道特征样本中信道特征测量值的个数作为该样本的长度;然后将所有信道特征样本按频率、天线、时间顺序组成信道特征样本组,所述信道特征样本组中样...

【专利技术属性】
技术研发人员:李古月胡爱群王栋韩远致李晶琪
申请(专利权)人:东南大学
类型:发明
国别省市:江苏;32

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