[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

说明书

本发明属于无线物理层安全通信技术领域，公开了一种随机波束切换的毫米波物理层密钥生成方法及系统，所述随机波束切换的毫米波物理层密钥生成方法包括：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。本发明方法利用毫米波信道的稀疏性，将毫米波信道稀疏性响应的坐标作为随机源；通过随机波束切换的方法，在保证密钥随机性的前提下，实现了高速率的物理层密钥生成。理论分析和仿真结果表明，本发明方法的密钥生成速率突破了信道相关时间的限制；密钥协商前的密钥之间具有较高的一致性，节省了密钥协商和隐私放大过程的开销，且具备对抗多天线窃听者的能力。

技术领域

本发明属于无线物理层安全通信技术领域，尤其涉及一种随机波束切换的毫米波物理层密钥生成方法及系统。

背景技术

目前，无线通信技术的发展日新月异，无线通信网络的业务服务随着物联网、智慧城市等产业的迅速发展发生了巨大的变化。持续增长的用户数和数据量致使频谱资源日益紧缺，不断丰富的信息类型使得无线通信的安全性变得越来越重要。

在传统的无线安全通信方案中，加密解密技术和通信协议是实现安全通信的主要方式。但是，随着通信技术和计算机技术的迅速发展，传统的安全通信机制在新的通信场景或技术下可能会面临诸多挑战。例如无法满足特定通信场景下的超低时延要求、在异构物联网设备之间密钥的分发和管理困难、现有的加密算法被新兴的计算设备破解等。

不同于传统的密钥交换机制，物理层密钥生成技术利用无线信道的时变性和互易性。无需第三方参与密钥的管理和分发，不依赖于算法的复杂度，即可实现轻量级的加密解密，并且具备实现信息论安全的潜力，是安全通信领域极为重要的发展方向之一。

但是，当前的物理层密钥生成技术研究方案大部分集中在6GHz以下的微波频段，无法适用于毫米波频段的通信系统。另外，传统方案的密钥生成速率受静态环境的限制，在静态环境中，信道变化缓慢，信道相关时间较长，密钥生成速率较低，无法满足大容量通信场景的加密需求。

因此，充分利用毫米波的传播特性，在毫米波无线通信系统中，实现静态环境中高速率的物理层密钥生成，适应海量数据通信场景的加密需求，是物理层密钥生成技术发展的重要方向之一。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)传统的安全通信机制在新的通信场景或技术下可能会面临诸多挑战，包括无法满足特定通信场景下的超低时延要求、在异构物联网设备之间密钥的分发和管理困难、现有的加密算法被新兴的计算设备破解等。

(2)当前的物理层密钥生成技术研究方案大部分集中在6GHz以下的微波频段，无法适用于毫米波频段的通信系统。

(3)传统方案的密钥生成速率受静态环境的限制，在静态环境中，信道变化缓慢，信道相关时间较长，密钥生成速率较低，无法满足大容量通信场景的加密需求。

在毫米波通信系统中生成物理层密钥，其方法不同于微波系统。首先，由于毫米波高损耗，弱绕射能力的传播特性，传统的用于在微波系统中生成物理层密钥的信道模型无法适用于毫米波频段的通信系统，需要建立符合其信道稀疏特性的信道模型。另外，传统方案的物理层密钥生成速率受静态环境的限制，尤其是在毫米波系统中，通信双方A和B之间的信道主要由有限的几条路径组成，信道变化缓慢，信道相关时间较长，遵循传统方案相关时间内仅探测一次信道的物理层密钥生成原则，其密钥生成速率较低，无法满足大容量通信场景的加密需求。

本发明方法、系统、设备适配于毫米波系统的硬件结构，利用了毫米波信道的稀疏性，实现了物理层密钥生成。通过使用随机波束切换的发明方法，在保证密钥随机性的情况下，利用了通信双方A和B之间有限的几条可分辨波束，本发明方法、系统、设备的物理层密钥生成速率突破了静态环境的限制。在频谱资源日益紧缺和通信数据量不断增长的现状下，本发明方法、系统、设备显著提升了物理层密钥生成的速率，使之可以适用于毫米波通信系统及大容量通信场景，满足了日新月异的通信技术的发展需求。