基于多径分离的频分双工系统中互易信道增益构建方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多径分离的频分双工系统中互易信道增益构建方法，包括通信双方分别进行信道估计获取同一时刻的信道状态信息；分别对各自估计的信道状态信息进行多径分离；对分离后的每一条路径信道增益进行频率修正；将修正后的结果进行重构，获得具备高度互易性的信道增益。本发明专利技术可以很好地提高频分双工系统中信道增益的互易性，适用于在频分双工系统下生成基于无线信道特征的一致密钥等具体应用。

Reciprocal Channel Gain Construction Method in Frequency Division Duplex System Based on Multipath Separation

The invention discloses a method for constructing reciprocal channel gain in frequency division duplex system based on multi-path separation, which includes channel estimation by both sides of communication to obtain channel state information at the same time, multi-path separation of channel state information estimated by each side, frequency correction of channel gain of each path after separation, reconstruction of the corrected results and acquisition of channel state information. Channel gain with high reciprocity is required. The invention can greatly improve the reciprocity of channel gain in frequency division duplex system, and is suitable for specific applications such as generating a consistent key based on wireless channel characteristics in frequency division duplex system.

【技术实现步骤摘要】
基于多径分离的频分双工系统中互易信道增益构建方法
本申请涉及无线通信及信息加密领域，尤其涉及频分双工系统中互易信道增益的构建方法。
技术介绍
电磁波在传播过程中一般要经过反射、衍射、散射的传播路径到达接收端，因此接收信号总是由发送信号经过多次反射、衍射和散射后叠加得到的。由于电磁波的传播是可逆的，因此，当通信系统的上下行采用同一频率进行数据收发时(例如时分双工(TDD)模式)，那么电磁波从发送端通过一条特定路径到达接收端，接收端发出的电磁波也可以通过相同的路径到达发送端，同一频段下，相同的传输路径意味着路径损耗、时延和相位补偿都是相同的，在只考虑物理传播信道的情况下，可以认为上行和下行的无线信道具有互易性。无线信道的互易性可以用于通信系统中，提高频谱资源利用率和灵活性，为通信系统简化终端设备、进行功率控制和采用更先进的多天线技术提供了便利。此外，还可以用于无线信道密钥生成。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TDD系统中，当上下行切换速率足够快，即双工时间间隔远小于信道相干时间时，无线上下行信道增益具备高度互易性。然而，在频分双工(FDD)系统中，上下行使用不同的频率来进行数据发送和接收，即上下行使用两个分离对称的频率信道。由于这两个频率信道之间存在频率间隔以防止上下行信道产生信道间干扰，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。由于信道特征的互易性较差，密钥的误码率较高，所以无线信道密钥生成难以适用于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，他有可能可以推测出合法接收者产生的密钥。综上，目前在频分双工系统中尚无有效的方法可以产生互易的信道增益。
技术实现思路
专利技术目的：为了解决现有技术存在的问题，实现一种高度安全且便捷实用的频分双工系统安全密钥生成技术，本专利技术提供了一种基于多径分离的频分双工系统中互易信道增益构建方法。技术方案：一种基于多径分离的频分双工系统中互易信道增益构建方法，包括以下步骤：步骤一：通信双方分别在两个频段上互相发送已知导频信号，并分别通过信道估计获取同一时刻的信道状态信息；步骤二：通信双方分别对信道状态信息进行多径分离，各得到N条路径；步骤三：通信双方分别提取每条路径的信道增益，对信道增益进行频率修正，得到修正后的每条路径的信道增益；步骤四：通信双方分别将各自修正后的每条路径的信道增益进行重构，得到一组对称密钥，将对称密钥作为互易信道增益。进一步的，步骤一中，通信双方包括第一通信方和第二通信方，第一通信方在第一频率上向第二通信方发送已知导频信号，同时第二通信方在第二频率上向第一通信方发送相同的导频信号；第二通信方接收第一通信方发送的导频信号后估计频率一的信道状态信息，第一通信方接收第二通信方发送的导频信号后估计频率二的信道状态信息。进一步的，步骤二中，多径分离的方法包括宽带系统中的多径分离方法和多天线系统中的多径分离方法。进一步的，步骤三中，频率修正的方法为：通过经验获得信道频率相关常数因子；第一通信方将第一通信方分离的N条路径的信道增益修正到频率一上；第二通信方将第二通信方分离的N条路径的信道增益修正到频率二上。进一步的，步骤四中，重构的方法为：通信双方分别将各自修正后的每条路径的信道增益乘以时延冲击函数得到每条路径的时域信号，并将各自每条路径的时域信号进行叠加，将该叠加后的信号经过傅里叶变换后获得频域信号。进一步的，步骤四中，重构的方法为：通信双方将各自每条路径的信道增益组合成向量信号。进一步的，在宽带OFDM系统中，利用傅里叶变换将信道增益在时域上展宽，增大符号间隔，进行多径分离；在宽带扩频系统中，通过扩频码的自相关特性在时域上分辨出多径信号，实现多径分离。进一步的，在多天线系统中，利用MUSIC算法和ESPRIT算法进行频率估计或最小均方估计进行多径分量的检测和分辨；在超大规模多天线系统中，利用傅里叶变换方法将多径分量从时域转换到频域，再根据频域特性进行多径分离。进一步的，所述信道状态信息为同一时刻同一子载波上的信道增益。有益效果：本专利技术提供了一种基于多径分离的频分双工系统中互易信道增益构建方法，相比较现有技术，从物理层安全的新角度实现一种高度安全且便捷实用的FDD系统安全通信方法，填补这一领域的技术空白。依据频分双工系统中上下行信道的传播路径基本相同的原理，利用多径分离技术将信道估计得到的无线信道增益分离到不同的路径上，并在每一个路径上对信道增益进行幅度与相位的频率修正并重构，有效地提高了信道增益的互易性。本专利技术在构建互易信道增益的过程中通信双方并无泄露任何信息，窃听者无法获得相同的信道增益。因此，在本专利技术基础上将该互易的信道增益转化为密钥的无线信道密钥生成方案具备高度安全性。本专利技术提出的基于多径分离的频分双工系统中互易信道增益构建方法，适用于多天线和宽带无线频分双工系统。附图说明图1为本专利技术的方法流程图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明。如图1所示，基于多径分离的频分双工系统中互易信道增益构建方法主要包括四个步骤：信道估计、多径分离、信道增益修正和信道重构。下面分别进行详细的说明。步骤一：定义甲和乙为OFDM系统中的合法通信双方，即第一通信方和第二通信方。首先，甲乙双方分别在频段f1和频段f2上互相发送已知导频向量S获得信道估计结果。定义和分别为甲和乙根据信道估计等方法探测到的第t时刻，第l个子载波上的信道增益。步骤二：通信双方分别对信道状态信息进行多径分离，各得到N条路径。多径分离的方法包括宽带系统中的多径分离方法和多天线系统中的多径分离方法：在宽带OFDM系统中，利用傅里叶变换将信道增益在时域上展宽，增大符号间隔，进行多径分离；在宽带扩频系统中，通过扩频码的自相关特性在时域上分辨出多径信号，实现多径分离。在多天线系统中，利用MUSIC算法和ESPRIT算法进行频率估计或最小均方估计进行多径分量的检测和分辨；在超大规模多天线系统中，利用傅里叶变换方法将多径分量从时域转换到频域，再根据频域特性进行多径分离。本实施例为宽带OFDM系统，其多径分离的具体步骤为：甲利用傅里叶变换将频域信道增益变换到延时域，其中L为OFDM系统子载波数。当时，则认为为一条有效路径。甲经过多径分离后得到N条有效路径的信道增益同样地，乙利用傅里叶变换将频域信道增益变换到延时域，当时，则认为为一条有效路径。乙经过多径分离后得到N条有效路径的信道增益步骤三：通信双方分别提取每条路径的信道增益，对信道增益进行频率修正，得到修正后的每条路径的信道增益。信道增益修正的具体步骤如下：甲和乙分别对各自的N条有效路径的信道增益进行系数修正。甲和乙分别对第i条路径增益本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多径分离的频分双工系统中互易信道增益构建方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：通信双方分别在两个频段上互相发送已知导频信号，并分别通过信道估计获取同一时刻的信道状态信息；步骤二：通信双方分别对信道状态信息进行多径分离，各得到N条路径；步骤三：通信双方分别提取每条路径的信道增益，对信道增益进行频率修正，得到修正后的每条路径的信道增益；步骤四：通信双方分别将各自修正后的每条路径的信道增益进行重构，得到一组对称密钥，将对称密钥作为互易信道增益。

【技术特征摘要】
1.一种基于多径分离的频分双工系统中互易信道增益构建方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：通信双方分别在两个频段上互相发送已知导频信号，并分别通过信道估计获取同一时刻的信道状态信息；步骤二：通信双方分别对信道状态信息进行多径分离，各得到N条路径；步骤三：通信双方分别提取每条路径的信道增益，对信道增益进行频率修正，得到修正后的每条路径的信道增益；步骤四：通信双方分别将各自修正后的每条路径的信道增益进行重构，得到一组对称密钥，将对称密钥作为互易信道增益。2.根据权利要求1所述的基于多径分离的频分双工系统中互易信道增益构建方法，其特征在于，步骤一中，通信双方包括第一通信方和第二通信方，第一通信方在第一频率上向第二通信方发送已知导频信号，同时第二通信方在第二频率上向第一通信方发送相同的导频信号；第二通信方接收第一通信方发送的导频信号后估计频率一的信道状态信息，第一通信方接收第二通信方发送的导频信号后估计频率二的信道状态信息。3.根据权利要求1所述的基于多径分离的频分双工系统中互易信道增益构建方法，其特征在于，步骤二中，多径分离的方法包括宽带系统中的多径分离方法和多天线系统中的多径分离方法。4.根据权利要求2所述的基于多径分离的频分双工系统中互易信道增益构建方法，其特征在于，步骤三中，频率修正的方法为：通过经验获得信道频率相关常数因子；第一通信方将第一通信方分离的N条路径的信道增...

【专利技术属性】
技术研发人员：李古月，胡爱群，刘博谦，
申请(专利权)人：南京东科优信网络安全技术研究院有限公司，东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32