[发明专利]一种随机波束切换的毫米波物理层密钥生成方法及系统

权利要求书

1.一种随机波束切换的毫米波物理层密钥生成方法，其特征在于，所述随机波束切换的毫米波物理层密钥生成方法包括以下步骤：

通信双方A和B进行初始信道探测，获得毫米波信道的状态信息；

进行随机波束切换的物理层密钥生成；

进行物理层密钥组合；

初始信道探测，包括：

(1)通信双方A和B在生成物理层密钥前，约定将毫米波波束的方位角以正弦值的大小为依据，均匀量化为N个方位角，即各个角度满足下式：

其中，θ为波束的方位角；

(2)通信双方A和B以时分双工的模式在静态环境相关时间内向彼此发送正交参考信号X_AB和X_BA；在某一时刻，通信方A向通信方B发送参考信号X_AB，经过t_AB时间后通信方B接收到信号Y_B；通信方B经过Δt时间的处理时延向通信方A发送参考信号X_BA，通信方A经过时间t_BA后接收到信号Y_A；通信双方进行一次信道双向探测，一次双向探测的总时间满足t_AB+Δt+t_BA≤T_c；其中T_c为无线信道相关时间；

随机波束切换的物理层密钥生成，包括：

(1)通信双方A和B通过接收信号Y_A和Y_B对毫米波信道进行估计，获取符合毫米波通信要求的L条有限的空间可分辨散射路径，得到与之对应的L对稀疏性响应坐标的信息；

当发送方与接收方之间的天线数量不同时，波束离开角和到达角之间可能存在三种对应关系：

①一对多：发送方天线数少于接收方天线数；

②多对一：发送方天线数多于接收方天线数；

③一对一：发送方天线数等于接收方天线数；

针对上述三种情况，结合信道估计结果，即可获得发送方与接收方之间的波束的到达角与离开角之间的对应情况；

(2)通信双方A和B使用步骤(1)获得的毫米波信道稀疏性响应坐标作为生成物理层密钥的随机源，生成静态环境中信道相关时间内的第一组物理层密钥；

(3)通信方A或B随机生成整数ζ∈{1,2,…,L}，其中L为毫米波信道空间可分辨散射路径的数量，即步骤(1)中获得的稀疏性响应坐标的个数；随机整数ζ用于选择该次信道探测作为发送方的通信方所激活的波束数量；

(4)根据步骤(3)的随机选择结果，通信方A或B随机生成整数用于选择激活波束的组合；基于生成随机整数ζ和δ，供发送端进行切换的波束组合有2^L-1种；

(5)通信方A或B作为发送端，根据步骤(3)和步骤(4)随机选择的整数ζ和δ激活相应的波束，在激活的波束上发送正交参考信号X_AB或X_BA并依据波束选择结果和步骤(1)波束到达角与离开角之间的对应关系生成发送端密钥；

(6)通信方B或A作为接收端接收信号Y_B或Y_A，对毫米波信道进行估计，提取波束选择后的毫米波信道稀疏性响应坐标作为随机源；

(7)通信方B或A作为接收端，根据步骤(6)的信道估计结果并结合步骤(1)的信道初始探测结果和波束到达角与离开角之间的对应关系，生成接收端物理层密钥；

(8)通信双方可以在信道相关时间内重复执行步骤(3)～步骤(7)，随机切换波束组合进行信道探测，在保证密钥随机性的情况下，在相关时间内生成更多的密钥；

步骤(1)和步骤(6)中，所述毫米波信道估计的过程，包括：

步骤(1)接收到参考信号Y_A和Y_B如下：

Y_A＝H_BAX_BA+Q_BA；

Y_B＝H_ABX_AB+Q_AB；

步骤(6)接收到参考信号Y_A和Y_B如下：

Y_A＝H_BAX_BAV_s+Q_BA；

Y_B＝H_ABX_ABV_s+Q_AB；

其中，H_AB和H_BA分别表示通信方A到通信方B的信道矩阵和通信方B到通信方A的信道矩阵，V_s代表发送方预编码矩阵，用于选择激活波束组合；Q_AB和Q_BA是独立同分布的复高斯噪声；

由于通信双方A和B在信道相关时间内进行双向信道探测，故根据无线信道的互易性原理，两个信道矩阵满足H_AB＝H_BA^T；因此，仅对通信方A发送通信方B接收的信号处理过程进行分析，通信方B发送通信方A接收的信号处理过程与之相同；

采用DFT码本对接收信号进行预编码接收，以获得毫米波信道的稀疏性信息；其中，获得的与毫米波信道矩阵H_AB等价的稀疏性信道矩阵如下：

其中，A_B,D和A_A,D分别代表通信方B和通信方A的DFT码本，X_AB为正交参考信号，Q_AB为复噪声矩阵，代表毫米波稀疏性信道矩阵，能够等价表示毫米波信道H_AB：

基于射线簇理论建立的信道毫米波信道如下所示：

其中，L表示多径数量，即射线簇数量；α_l表示第l条路径，即第l个簇的信道复增益，且满足θ_r,l和φ_t,l分别为第l条路径对应的到达角和离开角a_r(θ_r,l)和a_t(φ_t,l)分别表示接收端到达角为θ_A,l和发送端离开角为φ_B,l的ULA阵列响应矢量，N_t和N_r分别表示发送方和接收方的天线数量，其中a_r(θ_r,l)和a_t(φ_t,l)表示为：

其中，取均匀线阵阵元天线距离d＝λ/2，λ为传输信号的波长；

步骤(2)中，在毫米波稀疏性信道中获取稀疏性响应坐标作为生成物理层密钥随机源，包括：

获取稀疏性信道矩阵波束到达角方向上可能存在的稀疏性响应信息：

作为接收端的通信方B获得波束到达角方向上可能存在的稀疏性响应坐标集合J和相应地信道响应幅值集合V；

作为接收端的通信方B获取稀疏性响应信息，包括：

通信方B令L＝0，即初始化空间可分辨散射路径数量，提取当前最大增益波束信息：

通信方B执行所述提取当前最大增益波束信息的步骤，判断当前最大增益的波束信息i_max是否满足条件1，如果满足，则执行条件1对应的步骤；执行后再次循环执行所述提取当前最大增益波束信息的步骤，直到i_max满足条件2为止；

条件1：若满足i_max≥ε，ε为信道路径增益临界值，则该方向上的波束满足毫米波通信要求，即存在稀疏性响应；提取该波束对应的稀疏性响应信息，并更新信道响应幅值集合V，删除当前最佳波束信息以估计其他波束信息，包括：

G(j)＝V(i_max)；

V(i_max)＝0；

L＝L+1；

条件2：若i_max＜ε，剩余路径信息不满足毫米波信道增益要求，故信道估计过程结束；

i_max满足条件2时，信道估计结束，接收方获得空间可分辨散射路径数量L，为信道估计结果中波束到达角对应的虚拟信道响应冲激坐标的集合，为波束离开角对应的坐标集合；G为各空间可分辨路径的信道增益集合；

步骤(2)中，采用格雷码表作为密钥查找表，完成坐标与密钥之间的映射；其中，所述密钥映射步骤，包括：

确定稀疏性响应坐标在稀疏性信道矩阵中的序号，序号排列方法为k＝(x-1)N+y-1，其中k为稀疏性响应坐标(x,y),x∈{1,2,…,N},y∈{1,2,…,N}对应的序号；在I位格雷码表中查找十进制数k对应的格雷码序列作为密钥序列，其中当步骤(1)获得的波束到达角与离开角之间的对应关系存在“多对一”或“一对多”的情况，即稀疏性响应坐标集合或其子集存在如下形式：

{(x₁,y),...,(x_n,y)}；

{(x,y₁),...,(x,y_n)}；

将多个角度划分为一组，映射为同一个坐标值，即当在该组波束中激活一个或多个，其生成的物理层密钥相同；

通信双方A和B通过使用上述密钥映射方法完成步骤(1)中获得的稀疏性响应坐标集合与物理层密钥序列之间的映射，获得信道相关时间内第一组密钥k_A,0或k_B,0。