[發明專利]一種基于共軛預編碼的多用戶MIMO對稱信道特征獲取方法

有效

• 申請號: 202010168990.5
• 申請日: 2020-03-12
• 公開（公告）號: CN111404587B
• 公開（公告）日: 2022-04-01
• 發明（設計）人: 付華;彭林寧;胡愛群
• 申請（專利權）人: 東南大學;網絡通信與安全紫金山實驗室
• 主分類號: H04B7/0452
• 分類號: H04B7/0452;H04B7/0456;H04B7/06;H04B7/08;H04B7/0404
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明公開了一種基于共軛預編碼的多用戶MIMO對稱信道特征獲取方法，用戶終端選擇一根天線發送一段具有高隨機性的私有信息給基站設備，基站設備將接收到的信號進行共軛預編碼，再疊加上自己的私有信息，發送給用戶終端。通過本發明方法，通信雙方可以得到對稱的、融合了雙方私有信息的無線信道特征，從而生成具有高隨機性的、對稱的密鑰。將私有信息作為信道探測信號可以避免導頻攻擊，同時提高所生成密鑰的隨機性和更新速率；通過共軛預編碼，基站設備不需要估計信道狀態信息也能獲得多天線陣列的聚焦效果，用戶終端可以檢驗整個信號交互過程是否受到攻擊或干擾。本發明可以提高用無線信道特征生成密鑰技術的安全性和可靠性。

技術領域

本發明涉及一種對稱信道特征獲取方法，尤其涉及一種基于共軛預編碼的多用戶MIMO對稱信道特征獲取方法。

背景技術

多用戶MIMO是5G的核心技術之一，通過在基站使用大量天線實現信道容量的大幅增長，可以在同一頻段上同時服務多個用戶。相應地，基于天線陣列的聚焦效果，用戶終端設備只需要配備少量天線，降低了用戶終端的成本和功耗。

由于無線信道的開放性，無線通信系統容易受到竊聽和攻擊。基于無線信道特征生成密鑰是一種物理層安全技術。由于無線信道具有短時互易性，通信雙方可以從相互測量的信道特征里提取對稱密鑰，節省了傳統密鑰分發的開銷，降低了密鑰泄露的風險。

在多用戶MIMO系統中，如果通信雙方使用已知的導頻信號進行信道探測，很容易受到攻擊者的導頻污染攻擊，導致密鑰泄露或合法用戶測得的密鑰不一致。在專利申請201510155460.6中，申請者提出了一種在單天線體制下融合通信雙方的私有信息進行共享密鑰的方法。通信雙方發送的不是已知的導頻信號，而是各自生成的私有密鑰信息。然而，該方法主要針對單天線OFDM系統的子載波進行預編碼，并沒有考慮到多天線 MIMO的應用場景。

多天線陣列的聚焦效果使得合法用戶接收到的信號能量遠高于其它位置的用戶，降低了被竊聽的風險，能量增益的幅度由天線數量決定。大部分的天線聚焦/波束成形技術都需要基站對信道狀態信息有準確的估計，因此合法用戶必須發送已知的導頻信號進行信道探測。時間反演技術(time reversal)提出，基站對信道狀態信息進行估計以后，可以把信道狀態信息進行時間反演來對要發送的信號做預編碼，使得發送的信號聚焦于合法用戶。等增益傳輸技術(equal gain transmission)是時間反演技術的一個簡化版本，基站只估計信道的相位，只使用相位信息做預編碼。最大比傳輸技術(maximum ratiotransmission)實現起來最復雜，使用所有天線的信道信息H_m,m＝1,...,M的組合做為預編碼，但這種方法的能量增益最高。這三種技術可以被歸類為共軛預編碼技術，利用信道信息的共軛進行預編碼以達到天線聚焦的效果。在專利申請 201711079973.9中，申請者提出了一種基于時間反演技術的信息安全傳輸方法，利用其空間聚焦性來減小信息被截獲的可能性，同時在發送序列中加入干擾信息，對竊聽方造成干擾。該方法是一種安全傳輸信息的方法，并沒有考慮到通信雙方基于信道互易性生成密鑰的場景，并且也是使用已知的導頻信號來估計信道狀態信息。

在專利申請201711077668.6中，申請者提出了一種基于時間反演技術的毫米波大規模MIMO抗干擾傳輸技術，通過優化時間反演預濾波器來最小化用戶間的干擾，提升信道容量。該方法是一種提升通信系統容量的預編碼方法，也沒有考慮通信雙方基于信道互易性生成密鑰的場景。

MIMO系統多天線陣列的聚焦效果使得無線信道多徑衰落的影響被降低，導致通信雙方測量得到的無線信道特征趨于平坦，降低了所生成密鑰的隨機性。在專利申請201910695714.1中，申請者提出了一種用于MIMO系統的自適應對稱無線信道特征獲取方法，通信雙方分別進行自適應天線選擇來得到利于生成密鑰的無線信道特征的組合。該方法主要利用多天線的空間多樣性來提升密鑰的隨機性和更新速率，并沒有利用多天線陣列的聚焦效果。

發明內容

發明目的：本發明提出一種融合通信雙方私有信息的無線信道特征從而生成高隨機性對稱密鑰的方法。