[發(fā)明專利]一種基于功率分配和波束調(diào)度的多用戶高效密鑰生成方法

有效

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• 申請日: 2020-08-27
• 公開（公告）號(hào): CN111970696B
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫晨;胡磊;李古月
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): H04W12/041
• 分類號(hào): H04W12/041;H04B7/0413;H04B7/0426
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 王路

本發(fā)明公開一種基于功率分配和波束調(diào)度的多用戶高效密鑰生成方法，用戶發(fā)送上行正交探測信號(hào)，基站根據(jù)接收信號(hào)估計(jì)每個(gè)用戶的信道，并計(jì)算信道相關(guān)矩陣，然后基站為每個(gè)用戶設(shè)計(jì)特征提取矩陣；上行傳輸過程中，用戶使用相同時(shí)頻資源向基站發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，基站通過特征提取矩陣提取各用戶的信道特征；下行傳輸過程中，基站利用各用戶特征提取矩陣向不同用戶發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，用戶根據(jù)接收信號(hào)提取信道特征；雙方對信道特征進(jìn)行量化、信息協(xié)調(diào)和隱私放大得到對稱的加密密鑰。本發(fā)明解決了多用戶大規(guī)模MIMO密鑰生成系統(tǒng)中信道維度過大導(dǎo)致的信道信息獲取困難以及多用戶信號(hào)干擾等問題，所設(shè)計(jì)的特征提取矩陣顯著降低信道特征維度，提升總密鑰生成速率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及大規(guī)模MIMO多用戶系統(tǒng)中加密傳輸技術(shù)，尤其涉及基于物理層安全的無線信道密鑰生成方法。

背景技術(shù)

隨著第五代移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，無線信道中交換的數(shù)據(jù)量將成倍增加，同時(shí)會(huì)交換更多如金融數(shù)據(jù)、個(gè)人隱私和軍隊(duì)機(jī)密等需要保密的信息，因此現(xiàn)代通信對無線信道的安全性提出了更高的要求。但是，無線信道的廣播特性使得傳輸?shù)目煽啃允艿酵{，第三方更容易竊聽到信道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，甚至可以在無線信道中發(fā)起攻擊，導(dǎo)致信息泄露和合法通信中斷。傳統(tǒng)的安全通信通過高層加密實(shí)現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)層中使用公私密鑰進(jìn)行數(shù)據(jù)加密，但是該方法存在密鑰分發(fā)和管理問題，且時(shí)延較大。同時(shí)隨著量子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，傳統(tǒng)加密方法將不再可靠。

物理層密鑰生成(PKG)利用信道的多徑、互易性和空間唯一性等信道特征，使合法用戶能夠同時(shí)生成一對對稱密鑰。無線衰落信道的隨機(jī)性能夠提供給密鑰足夠的安全性，互易性使得合法用戶在相關(guān)時(shí)間內(nèi)獲取的信道信息基本相同，時(shí)變性保證密鑰可以定期更新，可以實(shí)現(xiàn)一次一密的加密。

大規(guī)模MIMO技術(shù)被認(rèn)為能夠有效減少多用戶信道干擾，且在高吞吐量方面有較強(qiáng)的優(yōu)越性。已有的MIMO密鑰生成方案主要針對小規(guī)模MIMO，而大規(guī)模MIMO密鑰生成面臨的主要問題是信道維度大、計(jì)算復(fù)雜度高。已有使用到達(dá)角和離開角在兩個(gè)用戶之間生成密鑰的方法，利用大規(guī)模MIMO的信道稀疏性，能夠減少計(jì)算復(fù)雜度，但是該方法的密鑰生成速率會(huì)受到影響。僅有的針對大規(guī)模MIMO多用戶密鑰生成方案中使用波束域信道為每個(gè)用戶生成單獨(dú)密鑰，但是沒有考慮功率分配和波束調(diào)度的最優(yōu)性。因此，針對多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的密鑰生成，降低信道特征維度，考慮其最優(yōu)功率分配和波束調(diào)度，將對密鑰生成的性能有重要影響。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：本發(fā)明針對多用戶大規(guī)模MIMO密鑰生成系統(tǒng)中信道維度過大導(dǎo)致的信道信息獲取困難以及多用戶信號(hào)干擾等問題，提供一種應(yīng)用于多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)密鑰生成的信道特征提取方法，所設(shè)計(jì)的特征提取矩陣顯著降低信道特征維度，減少用戶間干擾，提升總密鑰生成速率

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的應(yīng)用于多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)密鑰生成，在密鑰生成過程中引入特征提取矩陣，實(shí)現(xiàn)不同波束上的功率分配以及不同用戶間波束調(diào)度，包括以下步驟：

一種基于功率分配和波束調(diào)度的多用戶高效密鑰生成方法，包括以下步驟：

步驟1，信道探測：不同用戶發(fā)送相互正交的上行探測信號(hào)，基站根據(jù)接收信號(hào)估計(jì)每個(gè)用戶的信道相關(guān)矩陣；

步驟2，特征提取矩陣設(shè)計(jì)：基站根據(jù)信道相關(guān)矩陣優(yōu)化設(shè)計(jì)特征提取矩陣，包括功率分配優(yōu)化以及波束調(diào)度優(yōu)化，先在總功率約束條件下，設(shè)計(jì)不同波束的發(fā)送功率，最大化總密鑰速率上界，即功率分配優(yōu)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(diào)度優(yōu)化；

步驟3，密鑰生成：上行鏈路中，各用戶發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，基站利用特征提取矩陣提取每個(gè)用戶的信道特征，下行鏈路中，基站使用特征提取矩陣發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，每個(gè)用戶根據(jù)接收信號(hào)進(jìn)行估計(jì)信道特征，基站和每個(gè)用戶量化信道特征得到初始密鑰，經(jīng)過信息協(xié)商和隱私放大生成加密密鑰。