基于多径感知与空间伪谱估计的物理层密钥生成方法

本技术涉及无线通信，特别是涉及一种基于多径感知与空间伪谱估计的物理层密钥生成方法、系统、装置、电子设备及计算机可读介质。

背景技术：

1、随着无线通信的普及，滥用无线通信设备进行信息盗窃、恶意攻击、窃听等行为将导致大量的损失，因此，确保各个通信设备之间的通信安全已经成为当前迫切的需求，为了确保安全的无线通信，通常使用物理层密钥生成的方式来利用无线信道的互异性生成随机物理层密钥，利用无线信道的特性来保证物理层密钥的安全。

2、然而，在物理层密钥的生成过程中，尤其是在低信噪比的情况下，容易导致对无线信道的特征值进行量化所产生的量化结果不一致，进而使得各个通信设备之间生成的物理层密钥的匹配率较低，最终降低物理层密钥的生成效率。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术提供了一种基于多径感知与空间伪谱估计的物理层密钥生成方法、系统、装置、电子设备及计算机可读介质，通过第一通信设备计算通过天线阵列接收到的信号的协方差矩阵，并对协方差矩阵做特征值分解，得到最大特征值对应的特征向量所对应的第一信号子空间基和除最大特征值对应的特征向量以外的其他特征向量所对应的第一噪声子空间基，进而，第一通信设备基于第一噪声子空间基生成第一空间伪谱，并通过正交多项式表征第一空间伪谱中的曲线，再通过最小二乘法拟合表征第一空间伪谱中的曲线的第一函数，得到第一函数的第一系数序列，最后将第一系数序列映射为用于与第二通信设备进行通信的物理层密钥。从而能够通过将噪声子空间最大化，使得经过多径传播后的相干信号不会被背景噪声损害，提高了物理层密钥的匹配率，并且，使用正交多项式拟合对空间伪谱进行系数量化，进一步提高了物理层密钥的生成效率。

2、本技术实施例第一方面，提供一种基于多径感知与空间伪谱估计的物理层密钥生成方法，所述方法包括：

3、第一通信设备计算通过天线阵列接收到的信号的协方差矩阵，并对协方差矩阵做特征值分解，得到第一信号子空间基和第一噪声子空间基，其中，所述第一信号子空间基是最大特征值对应的特征向量，所述第一噪声子空间基包括除最大特征值对应的特征向量以外的其他特征向量；

4、所述第一通信设备基于所述第一噪声子空间基生成第一空间伪谱；

5、所述第一通信设备通过正交多项式表征所述第一空间伪谱中的曲线，并通过最小二乘法拟合表征所述第一空间伪谱中的曲线的第一函数，得到所述第一函数的第一系数序列；

6、所述第一通信设备将所述第一系数序列映射为用于与第二通信设备进行通信的物理层密钥。

7、在一种实施方式中，所述第一通信设备计算通过天线阵列接收到的信号的协方差矩阵，并对协方差矩阵进行特征分解，得到第一信号子空间基和第一噪声子空间基，包括：

8、所述第一通信设备计算通过天线阵列接收到的信号的协方差矩阵其中，u1为r1的特征向量，λ1为r1的对角阵，λ1的对角元素为r1的特征值；

9、所述第一通信设备将所述分解为r1＝u1sλ1su1sh+u1nλ1nu1nh，其中，rank(λ1s)＝1,rank(λ1n)＝m1-1，其中，u1s为最大特征值对应的特征向量，u1sh为u1s的共轭向量，λ1s为u1s的对角阵，λ1s的对角元素为u1s的特征值，u1n为r1中除u1s以外的其他特征向量，λ1n为u1n的对角阵，u1nh为u1n的共轭向量，λ1n的对角元素为u1n的特征值，m1为r1的特征向量的个数。

10、在一种实施方式中，所述第一通信设备基于所述第一噪声子空间基生成第一空间伪谱，包括：

11、所述第一通信设备基于所述第一噪声子空间基，计算得到第一空间伪谱其中，a(θ)为music算法中的导向向量，ah(θ)为a(θ)的共轭向量。

12、在一种实施方式中，所述第一通信设备通过正交多项式表征所述第一空间伪谱中的曲线，并通过最小二乘法拟合表征所述第一空间伪谱中的曲线的第一函数，得到所述第一函数的第一系数序列，包括：

13、所述第一通信设备通过勒让德多项式表征所述第一空间伪谱中的曲线，其中，

14、所述第一通信设备通过最小二乘法对所述进行拟合，得到所述第一函数的第一系数序列

15、其中，x表示所述第一通信设备计算通过天线阵列接收到的信号，k为拟合位数，所述拟合位数k是根据空间环境复杂度、所述第一通信设备的算力以及所述第二通信设备的算力确定的。

16、在一种实施方式中，所述第一通信设备将所述第一系数序列映射为用于与第二通信设备进行通信的物理层密钥，包括：

17、所述第一通信设备对所述第一系数序列量化为0/1系数序列，其中，所述0/1系数序列中各个系数的量化位数随着k1的增大而减小；

18、通过hash函数将所述0/1系数序列中的比特序列映射为物理层密钥。

19、在一种实施方式中，在所述通过hash函数将所述0/1系数序列中的比特序列映射为物理层密钥之前，还包括：

20、使用纠错码对所述第一通信设备和所述第二通信设备各自量化后的比特序列中不匹配的位进行调整；

21、通过hash函数将所述0/1系数序列中的比特序列映射为物理层密钥，包括：

22、通过hash函数将经过调整后的0/1系数序列中的比特序列映射为物理层密钥。

23、本技术实施例第二方面，提供一种通信系统，包括：

24、第一通信设备和第二通信设备，所述第一通信设备和所述第二通信设备分别执行权利要求1-6任一所述的一种基于多径感知与空间伪谱估计的物理层密钥生成方法；

25、所述第一通信设备和所述第二通信设备之间基于各自生成的物理层密钥进行通信。

26、本技术实施例第三方面，提供一种基于多径感知与空间伪谱估计的物理层密钥生成装置，所述装置包括：

27、分解模块，用于第一通信设备计算通过天线阵列接收到的信号的协方差矩阵，并对协方差矩阵做特征值分解，得到第一信号子空间基和第一噪声子空间基，其中，所述第一信号子空间基是最大特征值对应的特征向量，所述第一噪声子空间基包括除最大特征值对应的特征向量以外的其他特征向量；

28、空间伪谱生成模块，用于所述第一通信设备基于所述第一噪声子空间基生成第一空间伪谱；

29、拟合模块，用于所述第一通信设备通过正交多项式表征所述第一空间伪谱中的曲线，并通过最小二乘法拟合表征所述第一空间伪谱中的曲线的第一函数，得到所述第一函数的第一系数序列；

30、物理层密钥映射模块，用于所述第一通信设备将所述第一系数序列映射为用于与第二通信设备进行通信的物理层密钥。

31、本技术实施例第三方面，提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上的计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序以实现第一方面所述的方法。

32、本技术实施例第四方面，提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现第一方面所述的方法。

33、本技术的有益效果：

34、本技术实施例提供一种基于多径感知与空间伪谱估计的物理层密钥生成方法、系统、装置、电子设备及计算机可读介质，通过第一通信设备计算通过天线阵列接收到的信号的协方差矩阵，并对协方差矩阵做特征值分解，得到最大特征值对应的特征向量所对应的第一信号子空间基和除最大特征值对应的特征向量以外的其他特征向量所对应的第一噪声子空间基，进而，第一通信设备基于第一噪声子空间基生成第一空间伪谱，并通过正交多项式表征第一空间伪谱中的曲线，再通过最小二乘法拟合表征第一空间伪谱中的曲线的第一函数，得到第一函数的第一系数序列，最后将第一系数序列映射为用于与第二通信设备进行通信的物理层密钥。通过最选取最大特征值所对应的特征向量作为第一信号子空间基，使得其他特征向量与第一噪声子空间基对应，从而实现将噪声子空间最大化，使得经过多径传播后的相干信号不会被背景噪声损害，提高了物理层密钥的匹配率，并且，使用正交多项式拟合对空间伪谱进行系数量化，进一步提高了物理层密钥的生成效率。