一种利用5GNR上下文信息的安全加密方法技术

本发明专利技术公开了一种利用5GNR上下文信息的安全加密方法，属于无线通信技术领域。首先构建存在窃听者的移动安全通信系统模型；然后合法通信双方通过互相发送探测信号，进而对通信信道进行信道估计，接着对信道估计矩阵进行解相关处理；合法通信双方分别针对经过解相关处理的信道估计矩阵的相位和幅度进行联合量化；合法通信双方通过基于BCH纠错码的隐私协调方式生成一致的密钥；合法通信双方分别对各自得到的一致的密钥进行哈希序列变换，得到最终的密钥。本发明专利技术有效地兼顾了通信系统的通信性能和安全性能，能够有效地提高生成密钥的生成速率以及生成密钥的随机性。率以及生成密钥的随机性。率以及生成密钥的随机性。

【技术实现步骤摘要】
一种利用5G NR上下文信息的安全加密方法


[0001]本专利技术属于无线通信
，具体涉及一种利用5G NR上下文信息的安全加密方法。

技术介绍

[0002]近年来，由于无线网络安装便捷，灵活性高等优点，无线网络的业务量在不断增加。但由于无线网络开放性的特点，使得无线网络的安全存在着巨大的威胁。传统的加密方式是基于上层的加密方式，忽视了信号在传播过程中可能存在的安全问题以及在该过程中可以提供的安全性。因此基于物理层的加密方案作为传统加密方式的补充，有着越来越多的研究人员进行该领域的研究。相较于传统加密方式，基于物理层的加密方案无需进行密钥的分配与管理，其安全性能也不依赖于设备的计算能力，这些优点促使物理层安全在基于正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM)的全新空口设计的全球性5G标准(5G New Radio,5G NR)受到了越来越多的关注。
[0003]基于物理层信息的加密方案已经受到了很多的关注，但在实际应用中，基于物理层信息的加密方案会给通信系统带来额外的时延，因此如何平衡加密方案中加密性能和系统时延是物理层安全方案面临的挑战之一。基于物理层信息的安全方案在一次信道探测过程中，能够获得越多的可用信道特征，需要信道探测的次数就越少，给系统带来的时延就越低，因此如何增加一次信道探测过程中获得的可用信道特征对于平衡加密方案中加密性能和系统时延有着重要意义。
[0004]现有基于物理层的加密方案流程主要可以分为信道探测、信道特征提取、量化、隐私协调和隐私放大五部分。在信道特征提取中，目前已有的研究多提取信道的单一信道信息，如信道的功率、相位或到达角等。毋庸置疑的是，信道功率、相位以及到达角包含了不同的信道特征，因此联合使用多维信道信息可以增加一次信道探测过程中捕获到的信道特征。另外，在5G NR中，多输入多输出(Multi Input Multi Output,MIMO)技术已经得到了大规模的应用。在基于物理层安全方案的理想的条件下，MIMO中的各个天线不相关，发射所占用的子载波频率之间也不存在相关性，因此通信双方在使用MIMO进行通信时，收集到的各天线，各子载波之间信道特征是不相关的，根据这些特征生成的密钥是不相关的。然而在实际中，上述不相关假设是不实际的，不符合理论条件的。故会生成具有相关性的密钥，这些相关性会导致密钥的随机性降低，进而导致系统的安全性能降低。因此想要生成符合实际需求的密钥，需要进行多次信道探测，增加系统时延。因此如何降低天线之间和子载波之间的相关性是增加系统性能的关键步骤。
[0005]因此，需要研究一种适用于MIMO场景下的解相关方式以及联合多维信道特征提取以更好地兼顾系统的安全性能和通信性能。
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技术实现思路

[0011]针对上述问题，本专利技术提出了一种利用5G NR上下文信息的安全加密方法，通过使用空间
‑
频率逐步解相关方法达到降低天线之间和子载波之间的相关性的目的。该方法同时联合利用信道的幅度和相位信息，增加了密钥生成率。该方法减少了信道探测次数，有效地兼顾了通信系统的安全性能和通信性能需求。
[0012]具体的步骤如下：
[0013]步骤一、构建一个存在窃听者的移动通信系统模型；
[0014]系统模型包括一个窃听者E和两个具有N
T
根发射天线，N
R
根接收天线的合法通信双方A和B，通信系统为OFDM系统，采用时分双工(Time DivisionDuplex，TDD)模式；
[0015]整个系统的工作流程如下：1)A向B发送导频信号；2)B接收A发送的导频信号，并对其进行信道估计，得到信道估计结果，B向A发送导频信号；3)A接收B发送的导频信号，并对其进行信道估计，得到信道估计结果；4)A和B分别对各自的信道估计结果进行空间、频率解相关处理；5)A和B分别对各自经过解相关处理后的信道估计结果的幅度和相位进行量化；6)A针对己方量化后的结果进行BCH编码，将BCH编码后的纠错码发送给B；7)B针对己方量化后的结果进行BCH编码，使用收到的A方的纠错码对自己的编码进行纠错；8)A针对己方量化后的结果进行哈希变换，得到最终的密钥；9)B针对己方经过纠错后的结果进行哈希变化，得到最终的密钥；
[0016]步骤二、合法通信双方通过互相发送探测信号，进而对通信信道进行信道估计，接着对信道估计矩阵进行解相关处理；
[0017]具体步骤如下：
[0018]步骤201、A向B发送占用M个资源块(Resource Block,RB)的探测信号P
A
，其中探测信号为第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project，3GPP)协议中配置类型1的解调参考信号(D本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.步骤一、构建一个存在窃听者的移动通信系统模型；系统模型包括一个窃听者E和两个具有N
T
根发射天线，N
R
根接收天线的合法通信双方A和B，通信系统为OFDM系统，采用时分双工(Time Division Duplex，TDD)模式；整个系统的工作流程如下：1)A向B发送导频信号；2)B接收A发送的导频信号，并对其进行信道估计，得到信道估计结果，B向A发送导频信号；3)A接收B发送的导频信号，并对其进行信道估计，得到信道估计结果；4)A和B分别对各自的信道估计结果进行空间、频率解相关处理；5)A和B分别对各自经过解相关处理后的信道估计结果的幅度和相位进行量化；6)A针对己方量化后的结果进行BCH编码，将BCH编码后的纠错码发送给B；7)B针对己方量化后的结果进行BCH编码，使用收到的A方的纠错码对自己的编码进行纠错；8)A针对己方量化后的结果进行哈希变换，得到最终的密钥；9)B针对己方经过纠错后的结果进行哈希变化，得到最终的密钥；步骤二、合法通信双方通过互相发送探测信号，进而对通信信道进行信道估计，接着对信道估计矩阵进行解相关处理；具体步骤如下：步骤201、A向B发送占用M个资源块(Resource Block,RB)的探测信号P
A
，其中探测信号为第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project，3GPP)协议中配置类型1的解调参考信号(Demodulation Reference Signal,DMRS)；步骤202、B在A传输的RB上接收对应的探测信号步骤202、B在A传输的RB上接收对应的探测信号其中，H
A
为探测信号P
A
传输时所经历的信道状态，其中K代表探测信号所占用的子载波数量；N
A
为零均值，方差为的高斯白噪声；步骤203、B针对接收到的探测信号进行最小二乘法(Least Square,LS)信道估计，具体估计方式为：其中，为B收到的关于A发送探测信号时的信道估计；步骤204、B向A发送占用M个RB的探测信号P
B
，其中探测信号为配置类型1的DMRS；步骤205、B在A传输的RB上接收对应的探测信号步骤205、B在A传输的RB上接收对应的探测信号其中，H
B
为探测信号P
B
传输时所经历的信道状态，其中K代表探测信号所占用的子载波数量；N
B
为零均值，方差为的高斯白噪声，且N
B
与N
A
是独立不相关的高斯白噪声；步骤206、A针对接收到的探测信号进行LS信道估计，具体估计方式为：
其中，为A收到的关于B发送探测信号时的信道估计；步骤207、A和B针对各自的信道估计结果和求解各自各天线之间空间相关性，具体操作如下：体操作如下：其中，h
A,::k
,h
B,::k
表示表示的第三维确定的情况下信道估计结果，分别表示h
A,::k
和h
B,::k
的共轭转置；步骤208、A和B针对R
s,A
，R
s,B
进行特征值分解(Eigenvalue Decomposition，EVD)，具体操作如下：操作如下：步骤209、A和B分别利用步骤208中EVD得到的的特征值向量，对信道估计结果进行空间解相关，具体操作如下：解相关，具体操作如下：其中，K个h
A,::k
,h
B,::k
按k的顺序组成H
′
A
，H
′
B
；步骤210、A和B分别对于步骤209进行空间解相关后的结果计算频率相关性，具体操作如下：如下：其中，h
′
A,ij:
和h
′
B,ij:
表示H
′
A
和H
′
B
的前两维确定的二维向量，和表示h
′
X,ij:
的共轭转置；步骤211、A和B针对R
f,A
，R
f,B
进行特征值分解，具体操作如下：进行特征值分解，具体操作如下：步骤212、A和B分别利用步骤211中EVD得到的的特征值向量，对H
′
A
，H
′
B
进行频率解相关，具体操作如下：
其中，h
A,ij:
,h
B,ij:
按照i,j的顺序组成组成H
A
，H
B
；步骤三、合法通信双方分别针对经过解相关处理的信道估计矩阵的相位和幅度进行联合量化；步骤301、根据步骤二步骤212得到的H
A
和H
B
去计算其每个子载波上的相位，具体操作如下：下：其中，分别代表A和B估计到的信道相位；步骤302、对步...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵闪，梁广颖，金凯，代劲，申苏浩，卜哲，靳文京，郑学欣，康凯，黄晖，刘彦龙，杨洋，
申请(专利权)人：中国信息通信研究院中国联合网络通信有限公司浙江省分公司北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：