密钥生成系统中基于提取有效路径的预处理方法与流程

本发明属于通信抗干扰技术领域，具体的说是涉及密钥生成系统中基于提取有效路径的预处理方法。

背景技术：

在基于信道特性的密钥生成系统中，信道的短时互易性是合法接收双方建立一致性共享密钥的基础。但由于无线通信中传输信道的复杂性，发射信号在传播的过程中与地面的反射波以及各种障碍物引起的散射波相叠加，从而产生了阴影、多径效应，带来了不同的衰落和扩展。再加上传播过程中所受到噪声的影响，导致合法通信双方接收到的信号存在一定的偏差，从而造成了双方初始密钥存在着一定的不一致率，为其后续的密钥协商过程带来了很大的困难。因此，如何通过一定的预处理方案克服多径、阴影以及其他干扰的影响，降低合法接收双方的初始密钥不一致率，成为了近年来密钥生成领域中研究的关键。

信号去噪是信号处理领域中的关键技术。在以往的研究中，传统傅里叶变换将时域含噪信号映射到频域进行滤波，对于平稳信号的去噪有着显著的增益。但由于其变换后的信号缺乏时域上的度量从而难以考察原信号在不同时间点上的频谱特性，因此不适用于非平稳信号。小波变换由于其基函数的局部伸缩特性对复杂信号有着较好的拟合效果，被广泛应用于非平稳信号的去噪，但小波基函数的选取存在一定的偶然性与主观性，一定程度上影响了原信号的拟合效果。

技术实现要素：

由于密钥生成系统的最终目的是使得合法接收双方生成一致密钥序列，并不关注原始信道信息的完整性以及是否能够在接收端重构发射信号，基于此，本发明针对密钥生成系统中初始不一致率较高的问题提出了基于提取有效路径的信道估计值预处理方案，通过提取信号在时域上功率较强的传播路径并滤去时域上其他功率较弱的路径，从而有效对抗通信过程中所受到的噪声的干扰以及多径效应的影响，降低初始密钥不一致率。

为了便于理解，首先对密钥生成系统进行介绍：

传统密钥生成系统中主要包含信道探测、量化、密钥协商、保密增强几个步骤。在信道探测的过程中，alice、bob互相发送训练序列，在发射端预先将待发送的信号进行正交频分复用(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing,ofdm)调制，并在ofdm符号中按照块状图案放置导频序列，在接收端以最小二乘(leastsquares，ls)算法对接收到的信息序列进行信道估计得到信道测量值，并从其中提取用于密钥生成的特征参数，本发明中采用信道响应的幅度值作为后续密钥生成的特征参数。

在量化步骤中，合法接收双方分别将提取到的信道特征测量值以区间等概的方案确定量化门限，根据信道特征测量值所在区间序号确定量化后的二进制比特。该步骤实现的是模拟信号数字化的功能。量化之后合法接收双方所得到的二进制序列被称为初始密钥序列，其不一致率(keydisagreementrate，kdr)定义为：

因此，通过一定的预处理方案将密钥不一致率控制在可以接受的范围内是后续密钥协商步骤能否成功的关键。

ofdm系统的多径信道时域冲激响应与信道频域响应是傅立叶变换对的关系，因此，将合法接收方通过ls信道估计得到的信道测量值进行n点idft变换(n为ofdm系统中子载波的个数)，即可得到多径信道时域冲激响应的估计

理想的多径信道仅会在对应时延的采样点处有冲激响应，而在其余采样点位置上冲激响应为0。而在实际通信场景中，经过idft变换得到的的在信道多径时延对应的采样点位置有着明显的冲激，并且几条路径上的冲激幅度依次降低；但其他时域位置上一般不会存在零元素，这是因为噪声和干扰的影响使得多径冲击之间的位置存在着一定的起伏。当噪声分量足够强时，部分信号强度微弱的传播路径甚至有可能被噪声信号所淹没，难以分辨。

基于此，本发明中对进行一定的处理，即提取信号功率较强的传播路径，保留相应时延位置上的冲激响应值，而将其他位置上的分量置零，以滤去部分噪声分量以及其他功率较弱的径。其具体实施方法为：

a.确定筛选有效路径的阈值。该阈值的设置可以根据实际信道状况进行动态地调整。

b.根据确定好的阈值，将多径时域冲激响应进行筛选，对于中大于阈值的分量进行保留，同时滤去其中小于阈值的分量。

值得注意的是，由于实际通信环境的差异，多径信道的各径时延往往不一定是抽样时间的整数倍，且由于噪声的影响会一定程度上影响阈值判决的精确度，基于此，在提取有效路径时，通常同时保留超过阈值的路径周围的若干个采样点。

通过提取有效路径得到去噪处理后的多径信道时域冲激响应估计通过将其进行n点dft处理变换到频域，即可重新得到信道频率响应估计值即为经过去噪预处理后得到的信道测量值。

本发明的有益效果为，本方案将信道估计得到的频域响应变换到时域，并在提取信号功率较强路径的同时一并将噪声分量以及其他功率较弱的径滤去。经仿真显示，本方案能有效对抗通信过程中所受到的噪声的干扰以及多径效应的影响，从而降低合法接收双方的初始密钥不一致率。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为多径信道时域冲激响应示意图；

图3是密钥生成系统中初始密钥不一致率性能比较。

具体实施方式

在发明内容部分已经对本发明进行了详细描述，下面结合仿真示例进一步说明本发明的实用性。

本发明的具体实施方案如图1所示，alice和bob是合法通信双方，为了得到一致的密钥，依次通过信道探测、小波变换预处理、量化几个步骤得到初始密钥。

具体实施步骤大致如下：

步骤1：alice和bob在信道探测阶段互相发送探测序列；

步骤2：在接收端将信号进行n点idft变换，得到多径信道时域冲激响应估计

步骤3：提取时域冲击响应估计值中的有效路径，具体如下：

a.确定筛选有效路径的阈值。该阈值的设置可以根据实际信道状况进行动态地调整。

b.根据确定好的阈值，将将多径时域冲激响应进行筛选，对于中大于阈值的分量进行保留，而滤去其中小于阈值的分量。

步骤4：通过提取有效路径得到去噪处理后的多径信道时域冲激响应估计通过将其进行n点dft处理变换到频域，即可重新得到信道频率响应估计值即为经过去噪预处理后得到的信道测量值。

步骤5：在得到的信道频率响应估计中提取信道特征，并将提取到的信道特征进行等概量化，得到初始密钥，并计算合法接收双方的初始密钥不一致率。

表1展示了仿真中的参数设置。仿真中采用rayleigh多径信道，提取信道响应的幅度作为信道特征测量值，并采用3比特区间等概量化。表2展示了仿真所用多径信道的各径功率时延分布表。

表1仿真参数设置

表2cost207六径信道功率延迟分布表

图2展示了多径信道的时域冲击响应示意图。如图所示，由于噪声的影响，第6径的信道冲击已基本被噪声淹没，若将该分量予以保留，则合法通信双方接收到的信道测量值将很大程度上被噪声所影响，从而造成较高的不一致率。基于此，本方案中仅提取该信道的前几条传播路径进行性能对比。

图3展示了经过本发明方案处理前后的初始不一致率随信噪比增加时的变化情况。仿真结果显示，本发明中提出的基于提取有效路径的预处理方案对初始不一致率的降低有着较显著的作用，且提取的有效路径数越少，性能增益约为明显。这是因为在保留多条传播路径的同时也保留了对应时域点上的噪声，而噪声的存在会使得合法通信双方接收到的信道特征测量值有着一定的偏差，从而造成一定的初始密钥不一致率。由于密钥生成系统的最终目的是使得合法接收双方生成一致密钥序列，而并不关注原始信道信息的完整性以及是否能够在接收端重构发射信号，基于此，仅提取多径信道的第一条功率最强的径而滤去其他分量即可达到最优的性能。