[发明专利]一种基于功率分配和波束调度的多用户高效密钥生成方法

权利要求书

1.一种基于功率分配和波束调度的多用户高效密钥生成方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，信道探测：不同用户发送相互正交的上行探测信号，基站根据接收信号估计每个用户的信道相关矩阵；

步骤2，特征提取矩阵设计：基站根据信道相关矩阵优化设计特征提取矩阵，包括功率分配优化以及波束调度优化，先在总功率约束条件下，设计不同波束的发送功率，最大化总密钥速率上界，即功率分配优化；再将功率分配中的非零功率的波束分配给不同用户，最大化总密钥生成速率，即波束调度优化；

步骤3，密钥生成：上行链路中，各用户发送导频信号，基站利用特征提取矩阵提取每个用户的信道特征，下行链路中，基站使用特征提取矩阵发送导频信号，每个用户根据接收信号进行估计信道特征，基站和每个用户量化信道特征得到初始密钥，经过信息协商和隐私放大生成加密密钥；

其中，步骤2中，使用功率分配和波束调度的信道特征提取矩阵可分解为

式中，表示不同波束的特征方向，波束的特征方向为各用户信道相关矩阵的特征方向，D_k为波束选择和波束上的功率分配矩阵，D_k的每行中只有一个非零元素，其索引表示所选择的波束，元素值为分配功率的平方；

步骤2中，功率分配过程包括：

步骤2-1，令V＝D^HD，计算密钥速率的上界R_k，表示为：

在该公式中，Λ_k为用户k的信道相关矩阵，具体表示为：K为用户总数，为元素独立的随机矩阵；I表示为单位矩阵；

步骤2-2，在总功率P固定的情况下，设计协方差矩阵V最大化密钥速率上界；

步骤2中，波束调度具体过程包括：

步骤2-3，迭代初始化阶段，设置初始总密钥速率I⁽⁰⁾＝0、用户k分配的波束数B_k＝0；

步骤2-4，迭代开始阶段，设置本次迭代初始总密钥速率为上次迭代后的总密钥速率；

步骤2-5，当第k个用户分配的波束数B_k＜M_e时，计算分配给用户k的波束增加时的总密钥速率；

步骤2-6，选择增加波束能够最大化总密钥速率的用户k^*；

步骤2-7，当给用户k^*分配波束时的总密钥速率大于上一次迭代的总密钥速率时，将本次迭代的总密钥速率I⁽ⁱ⁾更新为的值，分配给用户k^*的波束数增加1个，并更新第k^*个用户的波束选择及波束上功率分配矩阵的第行；

步骤2-8，当满足两次迭代的总密钥速率差值|I⁽ⁱ⁾-I^(i-1)|≤ε时退出迭代，否则回到步骤(2-4)继续迭代。

2.根据权利要求1所述的基于功率分配和波束调度的多用户高效密钥生成方法，其特征在于：步骤1中，即信道探测过程中，每个用户向基站发送探测信号其中，不同用户使用的探测信号相互正交，即：k＝1,2,…,K，K表示用户数量，I表示单位矩阵，δ(·)为克罗内克函数；基站根据接收信号估计用户k的信道并计算用户的信道相关矩阵：

式中，是元素独立的波束域信道矩阵，Λ_k是对角矩阵。

3.根据权利要求1所述的基于功率分配和波束调度的多用户高效密钥生成方法，其特征在于：步骤3中，所述密钥生成过程包括：

步骤3-1，上行阶段，各用户向基站发送相同的公共导频s；

步骤3-2，基站估计信道信息，并将信道估计与特征提取矩阵P_k相乘得到用户k的信道特征z_k；

步骤3-3，下行阶段，基站使用特征提取矩阵发送下行导频信号：X为正交导频信号；

步骤3-4，用户k进行信道估计得到提取出的信道特征为y_k；

步骤3-5，基站和用户k将估计的信道特征矩阵z_k和y_k进行量化，生成初始密钥比特；

步骤3-6，通过信息协调，在每个用户和基站之间产生相同的密钥，并使用隐私放大保证密钥的随机性。