顯然，運是非常困難 的。事實上，可W進一步生成時變的hA(t)和he(t)來增加破譯密碼的困難性。該操作會在 隨后的詳細步驟中具體描述。
[0041] 圖3舉例說明了物理的信道沖激響應h(t)和根據(jù)W上理論生成的化S-CIR。可W 看到，將信道沖激響應和兩個偽隨機信道沖激響應進行卷積后，ULS-CIR的結(jié)構(gòu)變得更加特 另IJ，并且很難被Eve探測到，因為只有當且僅當Eve知道=個信道沖激響應時才能準確估計 到ULS-CIR。
[0042] 因此，如圖1所示，Alice作為發(fā)射方，Bob作為目標用戶，本發(fā)明方法包括W下步 驟：
[0043]DAlice和Bob分別隨機生成各自附加的偽隨機信道沖激響應hA(t)和hB(t);
[0044]。如圖2所示，Alice將探測信號u(t)與hA(t)卷積后傳輸給Bob,同樣地，Bob將 探測信號U(t)與hA(t)卷積后傳輸給Alice,Alice和Bob分別根據(jù)接收到的信號獲得唯一 特定的用戶鏈路信道沖激響應H(t)，H(t) =V^(t) =l^(t)，V^(t) =hB(t)*h(t)*hA(t)， hD^t) =hA(t)*h(t)*he(t)，h(t)為信道的信道沖激響應，探測信號u(t)預先設置在Alice 和Bob中，圖1中De-CONV表示反卷積，接著，Alice和Bob均獲取信道的相干時間，并開始 計時。
[004引3)Alice根據(jù)Va)生成密碼鑰匙，Bob根據(jù)hDL(t)生成密碼鑰匙。
[0046]4)Alice和Bob實時判斷計時時間是否大于相干時間，若是，跳轉(zhuǎn)步驟1)，使得密 碼鑰匙隨著相干時間的變化，需要重新生成并更新，若否，Alice向Bob傳輸原始數(shù)據(jù)，即 Alice通過密碼鑰匙將原始數(shù)據(jù)加密后傳輸給Bob,Bob接收信號并通過密碼鑰匙解密獲得 原始數(shù)據(jù)。
[0047] 同理，Alice也可W作為目標用戶，Bob也作為發(fā)射方，步驟4)為Bob向Alice傳 輸原始數(shù)據(jù)，其余步驟相同。
[004引如圖4和圖5所示，WAlice(A)表示銷售點終端，Bob度）表示手機，當銷售點終 端與手機進行通信時，包括W下步驟：
[004引步驟一：隨機指定h, (t)和he(t)。
[0050] 如上所述，指定合適的hA(t)和he(t)可W增加密碼鑰匙的復雜性，使得Eve在基 于物理層的密碼鑰匙共享系統(tǒng)中更難實現(xiàn)竊聽。hA(t)和he(t)可W由分配了不同復數(shù)權(quán) 重的多分量隨機構(gòu)成。hA(t)和he(t)的隨機性和唯一性可W提高通信的機密性。
[005U步驟二："ULS-CIR"的構(gòu)建。
[0052] 在運個步驟中，在Alice向Bob發(fā)送探測信號u(t)(如在無線通信系統(tǒng)中廣泛應 用于信道估計的訓練序列）前，u(t)需要進行預處理，如通過具有等同于hA(t)的沖激響應 的濾波器進行濾波。
[0053] Bob接收到的信號可W寫成：
[0054] Yab(t) =U(t)曲々(t)*hAB(t) +Nab(t)
[0055] 其中*表示卷積運算，hAe(t)表示從Alice到Bob的下行鏈路的信道沖激響 應，rV(t)表示下行鏈路的隨機高斯白噪聲。然后，可W用y,e(t)通過相關運算來估算h(t)曲4(t)。隨后，我們用he(t)來處理h, (t) (t)，從而得到：
[0056] h〇L(t) =hA(t)*hAB(t)*hB(t)
[0057] 類似地，Bob向Alice發(fā)送另一組用hB(t)處理的訓練序列。Alice接收到的信號 可W用W下表達式表示：
[0058] Yba(t) =U(t)*hB(t) (t) +Nba(t)
[0059] 其中heA(t)表示上行鏈路信道沖激響應，NeA(t)表示上行鏈路隨機高斯白噪聲。我 們進行與前面相同的操作，就可W得到he(t)*heA(t)的估計值。然后再通過hA(t)處理，就 可W得到：
[0060] huL(t) =hB(t)*hBA(t)*hA(t)
[0061] 估計值hD^t)和V(t)分別存儲在Bob和Alice兩邊，下標化表示下行鏈路，下 標化表示上行鏈路。如果信道存在相互作用，那么W下等式成立：
[0062] hAB(t) =hgA(t)
[0063] h〇LU) =huL(t)
[0064] 在進行上述操作的同時，Eve從Alice和Bob處接收到的信號可W表示為：
[0065] Yae(t) =U(t)曲々(t) *1!化(t) +Nae(t)
[0066] 和
[0067] Ybe(t) =U(t) *1ib(t) *1ibe(t) +Nbe(t)
[006引 Mt)*]!化（t)和he(t)*hBE(t)的估計值可W通過Eve計算得至Ijo然而，即使在Eve 離Alice或者Bob很近的情況下，即hAE(t) >hAB(t)或者hBE(t) >hBA(t)，由Alice和Bob隨機選擇的hA(t)和he(t)對于Eve來說仍然是未知的。因此，Eve不可能預測或者準確 估計l%(t)和lUt)。通過應用運一理論，我們可W認為IUt)和IUt)分別只對Alice 和Bob有用。它們被認為是Alice和Bob之間通信的信道識別碼。理想情況下，hu^t)和 hD^t)應該是一樣的，但是實際傳輸中存在隨機噪聲，因此還需要稍作區(qū)分。
[006引步驟立：計算信道的相干時間。
[0070] 我們可W認為在短時間內(nèi)時變信道是不變的。信道沖激響應維持不變的持續(xù)時間 被稱為信道相干時間T。。信道的時變性被認為是生成加密鑰匙的重要資源。與固定的密碼 鑰匙相比，時變的密碼鑰匙增加了Eve竊聽的困難性。
[0071] 我們首先計算信道識別碼保持不變的持續(xù)時間，運是由相干時間T。決定的，相干 時間的計算公式如下所示：
[0073]其中多普勒擴展O。定義為多普勒功率譜的二階中屯、距。在工程實踐中，多普勒 擴展由傳播環(huán)境中交互物體（IOs)的最大移動速度和波長的比值或者實際測量決定。只有 在相干時間內(nèi)，特定時刻的信道沖激響應估計值才能作為信道識別碼。當相干時間過去后， 必須重新估計信道沖激響應。
[0074] 步驟四：生成密碼鑰匙。
[0075] 在該步驟中，上行鏈路密碼鑰匙Ku^t)和下行鏈路密碼鑰匙KD^t)是分別利用 hD^t)和hu^t)通過一種特殊的方式生成的。比如，在最簡單的情況下，用戶鏈路信道沖激 響應本身就可W作為密碼鑰匙，即Ku^t) =hu^t)，KD^t) =hn^t)。而在一些更復雜的場 景中，測量得到的信道沖激響應經(jīng)過預處理（包括量化和編碼）后可W用來生成密碼鑰匙。 對于Alice和Bob來說，廣生密碼鑰匙的原理是完全相同的。
[0076] 步驟五：信號加密。
[0077]W下行鏈路傳輸作為例子描述在該步驟W及下一步驟中的操作，同樣的操作可W 用于上行鏈路傳輸。在個人信息或者支付數(shù)據(jù)s(t)從Alice傳到Bob之前，s(t)需要用上 行鏈路密碼鑰匙Ku^t)加密。加密過程可W采用不同的理論，比如時域上或者頻域上元素 智能乘積，或者利用預定義擾碼理論來整合密碼鑰匙和原始數(shù)據(jù)。隨后，加密信號X(t)被 傳送到Bob。Alice和Bob都知道信號加密的方法。
[0078] 步驟六：信號解密。
[0079]Bob接收到的未加工信號可W表示為：
[0080] y (t)=X (t)*hAB(t) +Nab (t)
[0081] 由于信道的相互作用，最終x(t)可W被下行鏈路密碼鑰匙KD^t)解調(diào)為原始發(fā)射 信號S(t)。
[008引步驟屯：更新識別碼。
[0083] 如上所述，基于信道沖激響應的識別碼只在相干時間內(nèi)有效。因此，新的識別碼需 要根據(jù)相干時間的變化重復步驟一至步驟六來生成、更新和使用。
[0084] 當附近存在很可能成為竊聽者的第S方Eve時，該方法可W實現(xiàn)銷售點終端 Alice和手機之間的安全通信。實際使用時，在多個頻段對該加密技術進行測試，采集盡可 能多的數(shù)據(jù)，形成完善的數(shù)據(jù)庫，使該加密技術更具通用性。另外，通過增加具有與偽隨機 信道沖激響應類似特性的第=方用戶來進行試驗，可驗證該加密方法具有好的可靠性。綜 上，本發(fā)明確保了Alice和Bob共享的安全識別碼對于Eve來說是不可用的。因此，Alice 和Bob之間可W實現(xiàn)安全通信。
【主權(quán)項】
1. 一種基于聯(lián)合信道和用戶識別碼實現(xiàn)安全通信的加密方法，用于發(fā)射方Alice通過 信道與目標用戶Bob的無線數(shù)據(jù)傳輸，其特征在于，包括以下步驟： 1)Alice和Bob分別隨機生成各自附加的偽隨機信道沖激響應hA(t)和hB(t); 2)Alice將探測信號u(t)與比⑴卷積后傳輸給Bob，同樣地，Bob將探測信號u(t)與 hA(t)卷積后傳輸給Alice，Alice和Bob分別根據(jù)接收到的信號獲得唯一的用戶鏈路信道 沖激響應H(t)，H(t) =hB(t)*h(t)*hA(t) =hA(t)*h(t)*hB(t)，H(t)為信道的信道沖激響 應，*表示卷積，所述探測信號u(t)預先設置在Alice和Bob中； 3)Alice和Bob分別根據(jù)H(t)生成密碼鑰匙； 4. Alice通過密碼鑰匙將原始數(shù)據(jù)加密后傳輸給Bob，Bob接收信號并通過密碼鑰匙解 密獲得原始數(shù)據(jù)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聯(lián)合信道和用戶識別碼實現(xiàn)安全通信的加密方法，其特 征在于，所述步驟2)還包括：Alice和Bob均獲取信道的相干時間，并開始計時，所述步驟 4)還包括:Alice和Bob實時判斷計時時間是否大于相干時間，若是，跳轉(zhuǎn)步驟1)，若否， Alice向Bob傳輸原始數(shù)據(jù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于聯(lián)合信道和用戶識別碼實現(xiàn)安全通信的加密方法，其特 征在于，所述相干時間與當前信道的多普勒功率譜的二階中心距有關。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聯(lián)合信道和用戶識別碼實現(xiàn)安全通信的加密方法，其特 征在于，所述步驟3)中，H(t)經(jīng)預處理后生成密碼鑰匙，所述預處理包括量化和編碼。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聯(lián)合信道和用戶識別碼實現(xiàn)安全通信的加密方法，其特 征在于，所述hA(t)和匕(〇均由多個延時的單位沖激函數(shù)組成。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于聯(lián)合信道和用戶識別碼實現(xiàn)安全通信的加密方法，包括以下步驟：1)Alice和Bob生成偽隨機信道沖激響應hA(t)和hB(t)；2)Alice將探測信號u(t)與hA(t)卷積后傳輸給Bob，Bob將探測信號u(t)與hA(t)卷積后傳輸給Alice，Alice和Bob獲得用戶鏈路信道沖激響應H(t)；3)Alice和Bob分別根據(jù)H(t)生成密碼鑰匙；4)Alice通過密碼鑰匙將原始數(shù)據(jù)加密后傳輸給Bob，Bob接收信號并通過密碼鑰匙解密獲得原始數(shù)據(jù)。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有安全性強、簡單易行、快捷有效等優(yōu)點。
【IPC分類】H04L9/08, H04L29/06
【公開號】CN105323060
【申請?zhí)枴緾N201510744791
【發(fā)明人】賀永宇, 歐陽露霞, 尹學鋒
【申請人】同濟大學
【公開日】2016年2月10日
【申請日】2015年11月5日