[發明專利]一種基于功率分配和波束調度的多用戶高效密鑰生成方法

有效

• 申請號: 202010879289.4
• 申請日: 2020-08-27
• 公開（公告）號: CN111970696B
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發明（設計）人: 孫晨;胡磊;李古月
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H04W12/041
• 分類號: H04W12/041;H04B7/0413;H04B7/0426
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 王路

1.一種基于功率分配和波束調度的多用戶高效密鑰生成方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1，信道探測：不同用戶發送相互正交的上行探測信號，基站根據接收信號估計每個用戶的信道相關矩陣；

步驟2，特征提取矩陣設計：基站根據信道相關矩陣優化設計特征提取矩陣，包括功率分配優化以及波束調度優化，先在總功率約束條件下，設計不同波束的發送功率，最大化總密鑰速率上界，即功率分配優化；再將功率分配中的非零功率的波束分配給不同用戶，最大化總密鑰生成速率，即波束調度優化；

步驟3，密鑰生成：上行鏈路中，各用戶發送導頻信號，基站利用特征提取矩陣提取每個用戶的信道特征，下行鏈路中，基站使用特征提取矩陣發送導頻信號，每個用戶根據接收信號進行估計信道特征，基站和每個用戶量化信道特征得到初始密鑰，經過信息協商和隱私放大生成加密密鑰；

其中，步驟2中，使用功率分配和波束調度的信道特征提取矩陣可分解為

式中，表示不同波束的特征方向，波束的特征方向為各用戶信道相關矩陣的特征方向，D_k為波束選擇和波束上的功率分配矩陣，D_k的每行中只有一個非零元素，其索引表示所選擇的波束，元素值為分配功率的平方；

步驟2中，功率分配過程包括：

步驟2-1，令V＝D^HD，計算密鑰速率的上界R_k，表示為：

在該公式中，Λ_k為用戶k的信道相關矩陣，具體表示為：K為用戶總數，為元素獨立的隨機矩陣；I表示為單位矩陣；

步驟2-2，在總功率P固定的情況下，設計協方差矩陣V最大化密鑰速率上界；

步驟2中，波束調度具體過程包括：

步驟2-3，迭代初始化階段，設置初始總密鑰速率I⁽⁰⁾＝0、用戶k分配的波束數B_k＝0；

步驟2-4，迭代開始階段，設置本次迭代初始總密鑰速率為上次迭代后的總密鑰速率；

步驟2-5，當第k個用戶分配的波束數B_k＜M_e時，計算分配給用戶k的波束增加時的總密鑰速率；

步驟2-6，選擇增加波束能夠最大化總密鑰速率的用戶k^*；

步驟2-7，當給用戶k^*分配波束時的總密鑰速率大于上一次迭代的總密鑰速率時，將本次迭代的總密鑰速率I⁽ⁱ⁾更新為的值，分配給用戶k^*的波束數增加1個，并更新第k^*個用戶的波束選擇及波束上功率分配矩陣的第行；

步驟2-8，當滿足兩次迭代的總密鑰速率差值|I⁽ⁱ⁾-I^(i-1)|≤ε時退出迭代，否則回到步驟(2-4)繼續迭代。

2.根據權利要求1所述的基于功率分配和波束調度的多用戶高效密鑰生成方法，其特征在于：步驟1中，即信道探測過程中，每個用戶向基站發送探測信號其中，不同用戶使用的探測信號相互正交，即：k＝1,2,…,K，K表示用戶數量，I表示單位矩陣，δ(·)為克羅內克函數；基站根據接收信號估計用戶k的信道并計算用戶的信道相關矩陣：

式中，是元素獨立的波束域信道矩陣，Λ_k是對角矩陣。

3.根據權利要求1所述的基于功率分配和波束調度的多用戶高效密鑰生成方法，其特征在于：步驟3中，所述密鑰生成過程包括：

步驟3-1，上行階段，各用戶向基站發送相同的公共導頻s；

步驟3-2，基站估計信道信息，并將信道估計與特征提取矩陣P_k相乘得到用戶k的信道特征z_k；

步驟3-3，下行階段，基站使用特征提取矩陣發送下行導頻信號：X為正交導頻信號；

步驟3-4，用戶k進行信道估計得到提取出的信道特征為y_k；

步驟3-5，基站和用戶k將估計的信道特征矩陣z_k和y_k進行量化，生成初始密鑰比特；

步驟3-6，通過信息協調，在每個用戶和基站之間產生相同的密鑰，并使用隱私放大保證密鑰的隨機性。