[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

说明书

本发明公开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，用户发送上行正交探测信号，基站根据接收信号估计每个用户的信道，并计算信道相关矩阵，然后基站为每个用户设计特征提取矩阵；上行传输过程中，用户使用相同时频资源向基站发送导频信号，基站通过特征提取矩阵提取各用户的信道特征；下行传输过程中，基站利用各用户特征提取矩阵向不同用户发送导频信号，用户根据接收信号提取信道特征；双方对信道特征进行量化、信息协调和隐私放大得到对称的加密密钥。本发明解决了多用户大规模MIMO密钥生成系统中信道维度过大导致的信道信息获取困难以及多用户信号干扰等问题，所设计的特征提取矩阵显著降低信道特征维度，提升总密钥生成速率。

技术领域

本发明涉及大规模MIMO多用户系统中加密传输技术，尤其涉及基于物理层安全的无线信道密钥生成方法。

背景技术

随着第五代移动通信技术的发展，无线信道中交换的数据量将成倍增加，同时会交换更多如金融数据、个人隐私和军队机密等需要保密的信息，因此现代通信对无线信道的安全性提出了更高的要求。但是，无线信道的广播特性使得传输的可靠性受到威胁，第三方更容易窃听到信道中传输的数据信息，甚至可以在无线信道中发起攻击，导致信息泄露和合法通信中断。传统的安全通信通过高层加密实现，在网络层中使用公私密钥进行数据加密，但是该方法存在密钥分发和管理问题，且时延较大。同时随着量子计算机的出现，传统加密方法将不再可靠。

物理层密钥生成(PKG)利用信道的多径、互易性和空间唯一性等信道特征，使合法用户能够同时生成一对对称密钥。无线衰落信道的随机性能够提供给密钥足够的安全性，互易性使得合法用户在相关时间内获取的信道信息基本相同，时变性保证密钥可以定期更新，可以实现一次一密的加密。

大规模MIMO技术被认为能够有效减少多用户信道干扰，且在高吞吐量方面有较强的优越性。已有的MIMO密钥生成方案主要针对小规模MIMO，而大规模MIMO密钥生成面临的主要问题是信道维度大、计算复杂度高。已有使用到达角和离开角在两个用户之间生成密钥的方法，利用大规模MIMO的信道稀疏性，能够减少计算复杂度，但是该方法的密钥生成速率会受到影响。仅有的针对大规模MIMO多用户密钥生成方案中使用波束域信道为每个用户生成单独密钥，但是没有考虑功率分配和波束调度的最优性。因此，针对多用户大规模MIMO系统的密钥生成，降低信道特征维度，考虑其最优功率分配和波束调度，将对密钥生成的性能有重要影响。

发明内容

发明目的：本发明针对多用户大规模MIMO密钥生成系统中信道维度过大导致的信道信息获取困难以及多用户信号干扰等问题，提供一种应用于多用户大规模MIMO系统密钥生成的信道特征提取方法，所设计的特征提取矩阵显著降低信道特征维度，减少用户间干扰，提升总密钥生成速率

技术方案：本发明所述的应用于多用户大规模MIMO系统密钥生成，在密钥生成过程中引入特征提取矩阵，实现不同波束上的功率分配以及不同用户间波束调度，包括以下步骤：

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，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。