无线信道密钥随机性增强方法、生成方法、设备、系统技术方案

本发明专利技术提供一种无线信道密钥随机性增强方法、密钥生成方法以及设备和系统，无线通信方A、B将其独立生成的随机数集合作为阵列调控的初始状态来指定本次通信使用的天线集合，所使用的天线集合包括一个或多个天线；无线通信一方A通过指定的天线集合接收无线通信另一方B发送的信号，或者无线通信一方A通过指定的天线集合向无线通信另一方B发送的信号；无线通信方A、B接收信号后，提取当前通信的信道信息。本发明专利技术可以在准静态环境下增强密钥的随机性，且不需要额外的信息交互，进而可为利用无线信道信息生成密钥的通信设备提供技术手段。

Wireless channel key randomness enhancement method, generation method, equipment and system

【技术实现步骤摘要】
无线信道密钥随机性增强方法、生成方法、设备、系统
本专利技术涉及通信与信息安全
，尤其涉及一种无线信道密钥随机性增强方法、无线信道密钥生成方法、无线通信设备、无线通信系统。
技术介绍
无线信道密钥生成技术利用无线信道的互易性和随机性，将合法用户间的信道响应信息转换成密钥，进而对通信数据进行加密来实现安全通信。无线信道的互易性是指时分双工通信系统的上行链路与下行链路之间，在相干时间内，无线电波所经历的传输路径是基本一致性的，其信道响应具有短时的互易性。借助互易性，合法通信用户间可以观测到一致的信道信息，进而可以从中提取具有一致性的密钥。对于窃听者，当它与合法通信用户的距离超过二分之一波长后，信号的相关性会严重衰弱；窃听者难以获得与合法用户相同的信道特征，所以无法生成一致的密钥。无线信道的随机性是影响无线信道密钥生成速率的重要因素。当合法通信用户间的信道保持不断变化时，可以提供大量的公共随机信息来生成密钥。但是，当合法用户处于通信环境相对恒定、信道随机变量较为匮乏的准静态环境中，信道随机性不足会导致密钥更新速率较慢或密钥序列的随机性下降，进而将影响无线信道密钥生成系统的安全性。所以，准静态环境中的信道随机性不足是无线信道密钥生成技术需要克服的重要问题。公开号为CN110166232A的专利申请，公开了一种基于幅度取余的无线信道密钥随机性增强方法，包括：（1）无线通信双方分别多次探测各自的信道幅度特征，并合成样本序列；（2）双方对各自的样本序列进行遍历取余运算，产生多个序列；（3）双方对各自的取余列进行随机性检验，选出符合要求的模值；（4）双方进行模值协商，计算出最适合取余的模值，双方根据此模值对原数据进行取余计算，得到取余后的信道幅度特征序列；（5）双方根据预处理后的序列数据生成各自的量化门限，再根据量化门限进行协商量化后，得到量化比特流；（6）将量化后的比特流输入到信息调和环节和隐私放大环节，得出最终的密钥。从目前公开的文献看，尚未出现可以有效提高准静态环境下的无线信道密钥生成随机性的方法。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术从无线信号的空间维度寻找突破点，通过多天线的选择来改善准静态环境下密钥随机性不足的问题。本专利技术提供的无线信道密钥随机性增强方法，包括，无线通信一方A将其独立生成的随机数集合作为阵列调控的初始状态来指定本次通信使用的天线集合，A所使用的天线集合包括一个或多个天线，A生成的随机数集合包括一个或多个随机数；无线通信一方A通过指定的天线集合接收无线通信另一方B发送的信号，或者无线通信一方A通过指定的天线集合向无线通信另一方B发送的信号；B发送信号或接收信号所使用的天线集合是将B独立生成的随机数集合作为阵列调控的初始状态来指定的，B所使用的天线集合包括一个或多个天线，B生成的随机数集合包括一个或多个随机数；无线通信一方A、无线通信另一方B接收信号后，提取当前通信的信道信息。无线通信方A、B的随机数是独立生成的，不存在相关性，不需要进行信息交互，可以在不共享A和B的天线阵列配置信息的情况下，在准静态环境下增强无线信道密钥的随机性，尤其解决了准静态环境下无线信道密钥随机性不足的问题。优选地，无线通信方指定天线集合的方法具体为，利用生成的一个随机数对其天线阵列的M个天线进行选择，选择的天线序号表示为：，其中，R为无线通信方生成的随机数，M为无线通信方的天线阵列的天线数量。优选地，无线通信方的接收信号为，其中是作为发射方的无线通信方使用的天线所引入的发射机射频指纹，是作为接收方的无线通信方使用的天线所引入的接收机射频指纹，是接收方的接收机噪声，是发射方的天线到接收方天线的无线信道,是发射方发送的导频信号。优选地，无线通信方指定天线集合的方法具体为，利用生成的多个随机数形成的随机数组对其天线阵列的M个天线进行选择，选择多个天线形成天线组，表示为：其中，是随机数对天线阵列的天线个数M取mod得到的天线序号，K为随机数的个数，为无线通信方生成的随机数，M为无线通信方的天线阵列的天线数量。优选地，无线通信方的接收信号为，表示为：其中，是作为发射方的无线通信方使用的第天线引入的发射机射频指纹，是作为接收方的无线通信方使用的第天线引入的接收机射频指纹，是接收方的第天线的接收机噪声，是发射方的第天线到接收方的第天线的无线信道,是发射方发送的导频信号；，P、Q分别为发射方、接收方的随机数的个数。优选地，随机数由真随机数发生器生成，或者是将当前系统的时间戳或帧序号用作生成随机数的种子。本专利技术还提供一种无线信道密钥生成方法，无线通信方通过本专利技术提供的无线信道密钥的随机性增强方法提取当前通信的信道信息后，对信道信息进行处理，生成密钥。本专利技术利用本地的随机数调控无线收发机的天线阵列，根据无线信道的互易性得到具有一致性的信道信息，进而生成具有更高随机性的密钥。本专利技术还提供一种无线通信设备，该无线通信设备包括处理模块、发射机和接收机，所述无线通信设备作为无线通信一方A，实现本专利技术提供的无线信道密钥生成方法中，由无线通信一方A实施的步骤，具体来说，由处理模块指定本次通信所使用的天线集合，根据接收机接收的信号，提取当前通信的信道信息后，对信道信息进行处理，生成密钥，发射机用于根据处理模块指定的天线集合发送信号，接收机用于根据处理模块指定的天线集合接收信号。本专利技术还提供一种无线通信系统，包括无线通信一方A和无线通信另一方B，无线通信一方A和无线通信另一方B都包括处理模块、发射机和接收机，无线通信一方A、无线通信另一方B分别实现本专利技术提供的无线信道密钥生成方法中，由其实施的步骤，具体来说，无线通信一方A、无线通信另一方B的处理模块用于指定己方本次通信所使用的天线集合，根据己方接收机接收的信号，提取当前通信的信道信息后，对信道信息进行处理，生成密钥，发射机用于根据己方处理模块指定的天线集合发送信号，接收机用于根据己方处理模块指定的天线集合接收信号。在通信过程中，有主控和从属设备之分，从属设备不清楚下一轮通信的开始时间，在发送完信号，从属设备进入监听状态，本专利技术的无线通信一方A为主控设备，无线通信另一方B为从属设备；在首轮通信过程中，无线通信一方A在向B发送信号后、进行下一轮通信前，重新生成随机数集合作为阵列调控的初始状态来指定下一轮通信使用的天线集合，无线通信另一方B在向A发送信号后马上重新生成随机数集合作为阵列调控的初始状态来指定下一轮通信使用的天线集合。也就是说，主控设备向从属设备发送信号后，只要在下一轮通信前指定下一轮通信的天线集合即可，而从属设备在向主控设备发送信号后，需要马上指定天线集合。本专利技术利用本地的随机数调控无线收发机的天线阵列，根据无线信道的互易性得到具有一致性的信道信息，进而生成具有更高随机性的密钥。与现有方法相比，本专利技术可以在不共享用户A和用户B的天线阵列配置信息的情况下，在准静态环境下增强无线信道密钥的随机性，尤其解决了准静态环境下无线信道密钥随机性不足的问本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无线信道密钥随机性增强方法，其特征在于：无线通信一方A将其独立生成的随机数集合作为阵列调控的初始状态来指定本次通信使用的天线集合，A所使用的天线集合包括一个或多个天线，A生成的随机数集合包括一个或多个随机数；/n无线通信一方A通过指定的天线集合接收无线通信另一方B发送的信号，或者无线通信一方A通过指定的天线集合向无线通信另一方B发送的信号；B发送信号或接收信号所使用的天线集合是将B独立生成的随机数集合作为阵列调控的初始状态来指定的，B所使用的天线集合包括一个或多个天线，B生成的随机数集合包括一个或多个随机数；/n无线通信一方A、无线通信另一方B接收信号后，提取当前通信的信道信息。/n

【技术特征摘要】
1.一种无线信道密钥随机性增强方法，其特征在于：无线通信一方A将其独立生成的随机数集合作为阵列调控的初始状态来指定本次通信使用的天线集合，A所使用的天线集合包括一个或多个天线，A生成的随机数集合包括一个或多个随机数；
无线通信一方A通过指定的天线集合接收无线通信另一方B发送的信号，或者无线通信一方A通过指定的天线集合向无线通信另一方B发送的信号；B发送信号或接收信号所使用的天线集合是将B独立生成的随机数集合作为阵列调控的初始状态来指定的，B所使用的天线集合包括一个或多个天线，B生成的随机数集合包括一个或多个随机数；
无线通信一方A、无线通信另一方B接收信号后，提取当前通信的信道信息。


2.根据权利要求1所述的无线信道密钥随机性增强方法，其特征在于：无线通信方指定天线集合的方法具体为，利用生成的一个随机数对其天线阵列的M个天线进行选择，选择的天线序号表示为：，其中，R为无线通信方生成的随机数，M为无线通信方的天线阵列的天线数量。


3.根据权利要求2所述的无线信道密钥随机性增强方法，其特征在于：无线通信方的接收信号为，其中是作为发射方的无线通信方使用的天线所引入的发射机射频指纹，是作为接收方的无线通信方使用的天线所引入的接收机射频指纹，是接收方的接收机噪声，是发射方的天线到接收方天线的无线信道,是发射方发送的导频信号。


4.根据权利要求1所述的无线信道密钥随机性增强方法，其特征在于：无线通信方指定天线集合的方法具体为，利用生成的多个随机数形成的随机数组对其天线阵列的M个天线进行选择，选择多个天线形成天线组，表示为：



其中，是随机数对天线阵列的天线个数M取mod得到的天线序号，K为随机数的个数，为无线通信方生成的随机数，M为无线通信方的天线阵列的天线数量。


5.根据权利要求4所述的无线信道密钥随机性增强方法，其特征在于：无线通信方的接收信号为，表示为：



其中，是作为发射方的无线通信方使用的第天线引入的发射机射频指纹，是作为接收方的无线通信方使用的第天线引入的接收机射频指纹，是...

【专利技术属性】
技术研发人员：王栋，胡爱群，彭林宁，
申请(专利权)人：网络通信与安全紫金山实验室，
类型：发明
国别省市：江苏;32