本發(fā)明屬于通信安全領(lǐng)域，涉及無線通信系統(tǒng)中的密鑰生成技術(shù)。

背景技術(shù)：

隨著科技的發(fā)展，無線通信設(shè)備急劇增加，而無線傳輸媒介的開放性、無線終端的移動性和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性也使得傳輸?shù)目煽啃院桶踩悦媾R著嚴(yán)峻的考驗。傳統(tǒng)安全方案是在網(wǎng)絡(luò)層通過公私密鑰對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，而私鑰加密面臨密鑰管理與分發(fā)的問題，而公鑰加密的復(fù)雜度過高。然而目前正在推廣使用的LTE/LTE-Advanced甚至在正在完善的第五代移動通信標(biāo)準(zhǔn)中，高的數(shù)據(jù)傳輸速率對加解密實時性、復(fù)雜度和延時等提出了更加嚴(yán)格的要求。另外，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及無線自組織網(wǎng)絡(luò)等目前在軍事和民用中都得到了廣泛的使用的新型網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點通常以電池供電，無法負(fù)擔(dān)傳統(tǒng)的加解密算法的功率與成本的開銷。此外，傳統(tǒng)的加密算法大多基于現(xiàn)有的計算機(jī)無法在短時間內(nèi)對其進(jìn)行破解。隨著擁有迅速執(zhí)行巨量復(fù)雜的因數(shù)分解能力的量子計算機(jī)的出現(xiàn)，很多傳統(tǒng)的加密方法將不再可靠。

與此同時，利用無線信道的多徑、互易性、空間唯一性等傳輸特性的物理層安全方案得到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。根據(jù)無線信道的互易性，通信雙方同一時間同一頻率發(fā)送的信號將經(jīng)歷相同的衰落特性。在時分雙工系統(tǒng)中，若通信雙方的導(dǎo)頻發(fā)送時間差不超過相干時間，雙方之間的信道高度相關(guān)，而任何一個距離通信雙方半個波長之外的第三方觀測到的信道都與該信道相關(guān)性極低。因而，通信雙方利用以上時分雙工系統(tǒng)中的無線信道特性作為天然的隨機(jī)源生成密鑰，解決了傳統(tǒng)私鑰加密的密鑰分配和管理困難的問題。

近些年，除了理論分析，時分雙工系統(tǒng)下無線信道密鑰生成方案的實驗分析也得到發(fā)展，分析結(jié)果指出在實際系統(tǒng)中，受到時間差、硬件指紋和測量噪聲等因素的影響，通信雙方生成的密鑰一致性較差；此外，在多載波和多天線系統(tǒng)中，信道觀測值的頻率、空間和時間域的自相關(guān)系數(shù)較高，導(dǎo)致生成密鑰的隨機(jī)性較低。這些問題將嚴(yán)重影響到無線信道密鑰生成方案的實際應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明提供一種在時分雙工系統(tǒng)下提高通信雙方生成密鑰的一致性，去除測量值之間的時域、頻域和空間域的自相關(guān)性，提高產(chǎn)生密鑰隨機(jī)性的基于主成分分析的信道互易性增強(qiáng)方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明的基于主成分分析的信道互易性增強(qiáng)方法，首先由無線通信雙方Alice與Bob分別采集上行與下行信道特征的測量值，然后對采集到的上行與下行信道特征測量值分別進(jìn)行樣本分組劃分，得到信道特征樣本組，無線通信方Alice和Bob再對每個所述的信道特征樣本組進(jìn)行主成分分析處理，最終得到具有高互易性的處理結(jié)果；

其中，對每個信道特征樣本組的主成分分析處理的方法包括以下步驟：

1)無線通信方Alice與無線通信方Bob分別獲取信道特征樣本組的特征值矩陣與特征向量矩陣；

2)Alice與Bob分別對各自的特征值矩陣和特征向量矩陣進(jìn)行排序，從排序后的特征向量矩陣截取列向量，組成各自的主成分變換矩陣；

3)Alice與Bob分別將各自的當(dāng)前信道特征樣本組與其主成分變換矩陣相乘，得到變換后的主成分信號矩陣；

4)Alice與Bob分別將各自在所述步驟3)中產(chǎn)生的主成分信號矩陣作為當(dāng)前信道特征樣本組的主成分分析處理結(jié)果輸出。

本發(fā)明方法的優(yōu)選方案中，所述的上行與下行信道特征為Alice與Bob通過導(dǎo)頻信號計算得到的接收信號強(qiáng)度、信道幅度、相位或信道狀態(tài)信息特征；在多載波系統(tǒng)中，所述信道特征包括時域和頻域的信道信息；在多天線系統(tǒng)中，所述信道特征包括時域和空間域的信道信息。

本發(fā)明方法的優(yōu)選方案中，所述信道特征測量值的樣本分組劃分方法如下：

首先將信道特征測量值按相干帶寬、相干天線和相干時間劃分為多個信道特征樣本：具有相同相干帶寬、相干天線和相干時間參數(shù)范圍的信道特征測量值按頻率、天線、時間順序組成一個列向量，將一個列向量作為一個信道特征樣本，每個信道特征樣本中信道特征測量值的個數(shù)作為該樣本的長度；

然后將所有信道特征樣本按頻率、天線、時間順序組成信道特征樣本組，所述信道特征樣本組中樣本的個數(shù)大于或等于樣本的長度。

本發(fā)明方法的優(yōu)選方案中，所述步驟1)中，Alice與Bob通過如下三種方法中 的任一種獲得特征值矩陣與特征向量矩陣：

其一，Alice與Bob分別計算各自的信道特征樣本組的協(xié)方差矩陣，并分別對各自的協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征值分解或者奇異值分解，獲得各自的特征值矩陣與特征向量矩陣；

其二，通信一方首先計算其信道特征樣本組的協(xié)方差矩陣，然后將該協(xié)方差矩陣發(fā)送給通信另一方，所述通信另一方將接收到的協(xié)方差矩陣作為自己的協(xié)方差矩陣，然后通信雙方分別對各自的協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征值分解或者奇異值分解，獲得各自的特征值矩陣與特征向量矩陣；

其三，通信一方首先計算其信道特征樣本組的協(xié)方差矩陣，對所述協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征值分解或者奇異值分解，獲得其特征值矩陣與特征向量矩陣，然后將該特征值矩陣與特征向量矩陣發(fā)送給通信另一方，所述通信另一方將接收到的特征值矩陣與特征向量矩陣作為自己的特征值矩陣與特征向量矩陣。

本發(fā)明方法的優(yōu)選方案中，所述步驟2)中，特征值矩陣和特征向量矩陣的排序方法為：將特征值矩陣按照特征值從大到小的順序排列，按照該排序，同步調(diào)整特征向量矩陣中與特征值矩陣中特征值一一對應(yīng)的特征向量的順序，所述特征值為特征值矩陣中對角線上的元素，所述特征特征向量為特征向量矩陣中的列向量。

本發(fā)明方法的優(yōu)選方案中，所述步驟2)中，按照以下任一方法從排序后的特征向量矩陣截取列向量：

其一，截取特征向量矩陣中主成分信噪比大于或等于用戶定義的信噪比閾值的列向量，所述主成分信噪比為主成分變換矩陣中的各個特征向量對應(yīng)的特征值與噪聲方差的比值；

其二，在排序后的特征向量矩陣中截取前若干個列向量，截取列向量的個數(shù)由Alice與Bob根據(jù)信道條件事先約定。

本發(fā)明適用于多天線系統(tǒng)和寬帶無線系統(tǒng)，利用主成分分析去除信道特征信號之間的時域、頻域及空間域的相關(guān)性，以增強(qiáng)生成密鑰的隨機(jī)性；此外，由于越是主要的成分受到噪聲的影響越小，通過將特征值從大到小排序并僅選用前一部分具有高主成分信噪比的特征向量構(gòu)成主成分變換矩陣，該方法有效地提高了通信雙方生成密鑰的一致性。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

現(xiàn)有的技術(shù)對量化后的信號采用長1和長0檢測來降低長1和長0出現(xiàn)的概率以 增強(qiáng)密鑰的隨機(jī)性，但這種方法只能機(jī)械的去除固定長度相同的比特，并不能有效的提高密鑰的隨機(jī)性?，F(xiàn)有的技術(shù)還有通過隱私放大對密鑰協(xié)商后的比特流進(jìn)行哈希映射來增強(qiáng)密鑰的隨機(jī)性，但如果需要進(jìn)行密鑰協(xié)商的比特流隨機(jī)性差將會導(dǎo)致校驗子泄露的信息量更大，去除校驗子長度后的安全密鑰所剩無幾。此外，如果隱私放大前的信號的隨機(jī)性太弱，竊聽者可以通過字典攻擊等方法破解密鑰。本發(fā)明提出了利用主成分分析的方法，去除測量樣本之間的時域、頻域以及空間域的相關(guān)性，去除了數(shù)據(jù)冗余，提高了系統(tǒng)效率。

本發(fā)明通過主成分分析將測量值投影在相互正交的各成分上，而測量噪聲和環(huán)境噪聲對特征值大的主成分的影響遠(yuǎn)小于對特征值小的成分。據(jù)此，通過舍棄部分特征值小的成分，而只利用特征值顯著的主成分生成密鑰有效地提高了主成分分析變換后信道特征的互易性，從而提高生成無線信道密鑰的一致性。

本發(fā)明的三種特征值矩陣與特征向量矩陣方法中，第一種方法下Alice和Bob沒有傳遞任何信息，竊聽者無法獲得主成分信號矩陣，安全性得到保障；在第二和第三種方法中分別傳遞了協(xié)方差矩陣與特征值矩陣、特征向量矩陣，而由于這些矩陣僅僅代表了部分統(tǒng)計信息，任意位于相干距離之外的竊聽者采集到的信道特征測量值與Alice和Bob采集到的信道特征測量值都不相關(guān)，所以竊聽者無法有效地竊取主成分信號矩陣，安全性得到保障。

本發(fā)明提出的基于主成分分析的信道互易性增強(qiáng)方法，可延伸至一般的通信系統(tǒng)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法中的系統(tǒng)框圖；

圖2是本發(fā)明方法中的特征值矩陣與特征向量矩陣生成方法一；

圖3是本發(fā)明方法中的特征值矩陣與特征向量矩陣生成方法二；

圖4是本發(fā)明方法中的特征值矩陣與特征向量矩陣生成方法三。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和說明書附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本發(fā)明方法的實施例中，基于主成分分析的信道互易性增強(qiáng)方法提供一種在時分雙工系統(tǒng)下增強(qiáng)信道特征的互易性，去除信道特征樣本間相關(guān)性，提高通信雙方生成密鑰的一致性，提高產(chǎn)生密鑰隨機(jī)性的實現(xiàn)途徑。

定義Alice和Bob為通信雙方。定義Alice到Bob的信道特征為H_AB，Bob到Alice的信道特征為H_BA，H_AB和H_BA是時間、頻率、空間三維信道矩陣。和分別為Alice和Bob通過信道估計等方法計算得到的信道特征測量值，和是時間、頻率、空間三維矩陣。

本實施例描述系統(tǒng)無線信道特征信息采集后的信道特征的預(yù)處理過程，系統(tǒng)廣播、同步、隨機(jī)接入、采樣等環(huán)節(jié)以及后續(xù)的量化、信息調(diào)和、隱私放大等密鑰生成環(huán)節(jié)不在此實施例中進(jìn)行描述。本實施例中Alice和Bob均具有較強(qiáng)的計算能力，類似基站之間的通信場景。本實施例中Alice和Bob對生成的密鑰有嚴(yán)格的安全性需求，為了避免密鑰信息泄露，本實施例中Alice和Bob在基于主成分分析的信道互易性增強(qiáng)方法中沒有任何的信息交互。

以下分別描述Alice和Bob的數(shù)據(jù)處理流程。

本發(fā)明的系統(tǒng)框圖如圖1所示，無線密鑰的生成方法分為信道特征樣本分組劃分、主成分變換矩陣計算和主成分信號矩陣計算三個主要環(huán)節(jié)。

1.信道特征樣本分組劃分環(huán)節(jié)處理步驟如下：

1)Alice和Bob分別將和中具有相同相干帶寬，相干天線和相干時間參數(shù)范圍的信道特征測量值按頻率、天線、時間順序組成列向量x^A_i和x^B_i，定義x^A_i和x^B_i為信道特征樣本，x^A_i和x^B_i的維度M作為樣本的長度。

2)Alice和Bob分別將所述各個樣本按頻率、天線、時間順序組成信道特征樣本組和其中N≥M。

2.主成分變換矩陣計算環(huán)節(jié)處理步驟如下：

1)如圖2所示Alice和Bob分別計算X_A和X_B的協(xié)方差矩陣

2)Alice和Bob分別對協(xié)方差矩陣R_A和R_B進(jìn)行特征值分解，其中對角陣Λ_A和Λ_B代表特征值矩陣，酉矩陣U_A和U_B代表對應(yīng)的特征向量矩陣。

3)Alice和Bob對Λ_A和Λ_B中的特征值從大到小排序，同時調(diào)整特征向量矩陣U_A和U_B的順序。排序后的特征值矩陣為和 相應(yīng)的，排序后的特征向量矩陣 和其中為與特征值對應(yīng)的特征向量，為對應(yīng)特征值的特征向量。定義Alice和Bob的各主成分信噪比分別為各個特征向量對應(yīng)的特征值與噪聲方差σ_n的比值，即

4)根據(jù)用戶的誤碼率需求，通過系統(tǒng)仿真經(jīng)驗表格查詢到相應(yīng)的信噪比需求閾值η_thr，Alice和Bob分別選取滿足和的特征向量構(gòu)成主成分變換矩陣和其中K為大于或等于信噪比需求閾值的特征向量的個數(shù)。

3.主成分信號矩陣計算環(huán)節(jié)處理步驟如下：

1)Alice和Bob分別用主成分變換矩陣U′_A和U′_B與原信道特征信號X_A和X_B相乘構(gòu)成變換后主成分信號矩陣和如下

2)Alice與Bob將產(chǎn)生的主成分信號矩陣Y_A和Y_B作為當(dāng)前信道特征樣本組的主成分分析處理結(jié)果輸出。

實施例2：

為將本發(fā)明應(yīng)用于通信系統(tǒng)中Alice和Bob均具有較強(qiáng)的計算能力，Alice和Bob對生成的密鑰的有很高的一致性需求，而允許Alice和Bob有少量的信息交互的場景下，在使用與本發(fā)明方法的具體實施方式1基本一致的處理環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，信道特征樣本分組劃分和主成分信號矩陣計算環(huán)節(jié)相同，而將主成分變換矩陣計算作如下修改：

1.主成分變換矩陣計算環(huán)節(jié)處理步驟如下：

1)如圖3所示Alice計算X_A的協(xié)方差矩陣

2)Alice將協(xié)方差矩陣R_A傳遞給Bob，Bob接收Alice的協(xié)方差矩陣作為自己的協(xié)方差矩陣R_B＝R_A。

3)Alice和Bob分別對協(xié)方差矩陣R_A和R_B進(jìn)行特征值分解，其中對角陣Λ_A＝Λ_B代表特征值矩陣，酉矩陣U_A＝U_B代表對應(yīng)的特征向量矩陣。

4)Alice和Bob對Λ_A和Λ_B中的特征值從大到小排序，同時調(diào)整特征向量矩陣U_A和U_B的順序。排序后的特征值矩陣為和 相應(yīng)的，排序后的特征向量矩陣 和其中為對應(yīng)特征值的特征向量，為對應(yīng)特征值的特征向量。定義Alice和Bob的各主成分信噪比分別為各個特征向量對應(yīng)的特征值與噪聲方差σ_n的比值，即

4)根據(jù)用戶的誤碼率需求，通過系統(tǒng)仿真經(jīng)驗表格查詢到相應(yīng)的信噪比需求閾值η_thr，Alice和Bob分別選取滿足和的特征向量構(gòu)成主成分變換矩陣和其中K為大于或等于信噪比需求閾值的特征向量的個數(shù)。

實施例3：

為將本發(fā)明應(yīng)用于通信系統(tǒng)中Alice具有較強(qiáng)的計算能力，而Bob的計算能力較弱，允許Alice和Bob有少量的信息交互的場景下，在使用與本發(fā)明方法的具體實施方式1基本一致的處理環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，信道特征樣本分組劃分和主成分信號矩陣計算環(huán)節(jié)相同，而將主成分變換矩陣計算作如下修改：

1.主成分變換矩陣計算環(huán)節(jié)處理步驟如下：

1)如圖4所示Alice計算X_A的協(xié)方差矩陣

2)Alice對協(xié)方差矩陣R_A進(jìn)行特征值分解，其中對角陣Λ_A代表特征值矩陣，酉矩陣U_A代表對應(yīng)的特征向量矩陣。

3)Alice將特征值矩陣Λ_A和特征向量矩陣U_A遞給Bob，Bob接收Alice的特征值矩陣和特征向量矩陣作為自己的特征值矩陣和特征向量矩陣Λ_B＝Λ_A，U_B＝U_A。

4)Alice和Bob對Λ_A和Λ_B中的特征值從大到小排序，同時調(diào)整特征向量矩陣U_A和U_B的順序。排序后的特征值矩陣為和 相應(yīng)的，排序后的特征向量矩陣 和其中為對應(yīng)特征值的特征向量，為對應(yīng)特征值的特征向量。定義Alice和Bob的各主成分信噪比分別為各個特征向量對應(yīng)的特征值與噪聲方差σ_n的比值，即

4)根據(jù)用戶的誤碼率需求，通過系統(tǒng)仿真經(jīng)驗表格查詢到相應(yīng)的信噪比需求閾值η_thr，Alice和Bob分別選取滿足和的所有特征向量構(gòu)成主成分變換矩陣和其中K為大于或等于信噪比需求閾值的特征向量的個數(shù)。

上述實施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和等同替換，這些對本發(fā)明權(quán)利要求進(jìn)行改進(jìn)和等同替換后的技術(shù)方案，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。