一种信道特征量化方法、装置、电子设备及存储介质

技术领域

本发明涉及通信安全与传输技术领域，特别涉及一种信道特征量化方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质。

背景技术

随着无线通信的技术的迅速发展，使无线通信网络进入了我们生活的各个角落，极大地改变了人们的生活方式。然而，电磁波固有的开放特性使无线通信天生具有脆弱性，非常容易受到敌方的攻击，无线通信安全问题受到了广泛关注。物理层密钥提取技术是无线通信物理层安全领域的一项关键技术，其利用合法通信双方之间的公共信道特征提取出一致的共享会话密钥，用于实现无线通信中信息加密、信号加扰、身份认证等安全策略方案，有效提高无线通信安全性能。通常物理层密钥提取流程主要分为四个步骤，分别为信道探测、特征量化、信息协商、以及保密增强。其中特征量化是一个非常关键的步骤，其主要作用是将通信双方提取出的高度相似的信道测量值量化为初始比特序列。特征量化直接影响到最终密钥生成的生成效率和密钥一致性等关键指标，是一个需要迫切解决的技术问题。

针对单载波通信SC-FDE（Single Carrier Frequency Domain Equalization）系统，现有方案都是基于信道的接收信号强度指示（Received Signal StrengthIndication, RSSI）特征进行密钥提取。目前已有的信道特征量化方法均是通过将信道测量值与幅值量化门限进行比较的方式实现量化，而位于幅值量化门限附近的信道测量值很容易受噪声影响造成合法通信双方量化差异，例如，总的信道探测次数为N次，那么通常幅值量化门限设置为N次信道探测得到信道测量值的均值，由于位于均值附近的信道测量幅值较多，导致通信双方对信道测量值的量化区分产生差异，这会损害初始密钥的一致性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种信道特征量化方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质，可以有效去除环境噪声对初始密钥的影响，增强合法通信双方初始密钥的相关性，有效降低合法通信双方初始密钥的不一致率。其具体方案如下：

第一方面，本申请公开了一种信道特征量化方法，包括：

利用信道探测信号进行信道探测，得到信道测量值；

对所述信道测量值进行幅值位置预处理，得到预处理后的信道测量值；所述幅值位置预处理的过程是根据所述信道测量值的幅值，确定所述幅值对应的频点位置序号，并将所述频点位置序号作为所述预处理后的信道测量值；

将所述预处理后的信道测量值与预设阈值进行比较，并根据比较结果，对所述预处理后的信道测量值进行量化，得到量化结果；

根据所述量化结果，生成初始密钥。

可选的，所述对所述信道测量值进行幅值位置预处理，得到预处理后的信道测量值，包括：

确定各个所述信道测量值对应的所有频点的最大值，并确定所述最大值对应的频点位置序号；

将所述频点位置序号作为所述预处理后的信道测量值。

可选的，在将所述预处理后的信道测量值与预设阈值进行比较之前，还包括：

将各个所述信道探测值对应的总频点数位置序号的中间位置序号作为预设阈值。

可选的，所述将所述预处理后的信道测量值与预设阈值进行比较，并根据比较结果，对所述预处理后的信道测量值进行量化，得到量化结果，包括：

判断所述预处理后的信道测量值是否大于所述中间位置序号；

若是，则将所述预处理后的信道测量值量化为1；

若否，则将所述预处理后的信道测量值量化为0。

可选的，所述根据所述量化结果，生成初始密钥，包括：

按照各个所述信道探测值对应的信道探测顺序，将所述量化结果进行串接，生成所述初始密钥。

可选的，所述利用信道探测信号进行信道探测，得到信道测量值，包括：

利用所述信道探测信号中的导频信号进行CFR估计，得到CFR估计结果；

对所述CFR估计结果取模得到所述信道测量值。

第二方面，本申请公开了一种信道特征量化装置，包括：

信道探测模块，用于利用信道探测信号进行信道探测，得到信道测量值；

预处理模块，用于对所述信道测量值进行幅值位置预处理，得到预处理后的信道测量值；所述幅值位置预处理的过程是根据所述信道测量值的幅值，确定所述幅值对应的频点位置序号，并将所述频点位置序号作为所述预处理后的信道测量值；

量化模块，用于将所述预处理后的信道测量值与预设阈值进行比较，并根据比较结果，对所述预处理后的信道测量值进行量化，得到量化结果；

生成模块，用于根据所述量化结果，生成初始密钥。

可选的，所述预处理模块，包括：

确定单元，用于确定各个所述信道测量值对应的所有频点的最大值，并确定所述最大值对应的频点位置序号；

位置序号单元，用于将所述频点位置序号作为所述预处理后的信道测量值。

第三方面，本申请公开了一种电子设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述信道特征量化方法的步骤。

第四方面，本申请公开一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述信道特征量化方法的步骤。

本申请提供一种信道特征量化方法，包括：利用信道探测信号进行信道探测，得到信道测量值；对所述信道测量值进行幅值位置预处理，得到预处理后的信道测量值；所述幅值位置预处理的过程是根据所述信道测量值的幅值，确定所述幅值对应的频点位置序号，并将所述频点位置序号作为所述预处理后的信道测量值；将所述预处理后的信道测量值与预设阈值进行比较，并根据比较结果，对所述预处理后的信道测量值进行量化，得到量化结果；根据所述量化结果，生成初始密钥。

可见，本申请通过对获取到的信道测量值，进行幅值位置预处理，得到预处理后的信道测量值，再对预处理后的信道测量值进行量化，并根据量化结果得到初始密钥，即本申请采用的是基于位置量化门限的方法获取得到初始密钥，可以有效去除环境噪声对初始密钥的影响，避免了相关技术中基于幅值量化门限的方法，量化门限附近的信道测量值易受噪声影响，引起合法通信双方量化结果的差异，损坏双方初始密钥一致率的缺陷，增强合法通信双方初始密钥的相关性，有效降低合法通信双方初始密钥的不一致率。本申请同时还提供了一种信道特征量化装置、一种电子设备和计算机可读存储介质，具有上述有益效果，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所提供的一种信道特征量化方法的流程图；

图2为本申请实施例所提供的一种基于信道频域响应幅值最大值位置变化的特征量化方法的流程图；

图3为本申请实施例所提供的一种SC-FDE通信系统信道探测值采集示意图；

图4为本申请实施例所提供的一种基于位置量化门限的特征量化示意图；

图5为本申请实施例所提供的一种基于信道频域响应幅值最大值位置预处理后与基于接收的RSSI预处理后合法通信双方预处理数据之间的量化性能对比图；

图6为本申请实施例所提供的一种基于信道频域响应幅值最大值位置预处理后合法双方互易性效果表征图；

图7为本申请实施例所提供的一种信道特征量化装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对单载波通信SC-FDE系统，都是基于信道的接收信号强度指示特征进行密钥提取。目前特征量化方法有双门限量化方法、带保护隔离带的信道量化CQG（ChannelQuantization with Guard-band）方法和基于交互误差的信道量化CQA（ChannelQuantization Alternating）方法。双门限量化方法可以保证较低的密钥不一致率，但丢弃了较多的信道特征测量值，且一个信道特征测量值只能量化得到1比特密钥，导致密钥生成速率较低。CQG和CQA方法都是对信道特征测量值进行多比特量化，并通过一定量的信息交互来降低量化结果的不一致率。CQG方法通过将落入保护间隔内的信道特征测量值删除，能够有效的降低密钥不一致率，同时也会降低密钥生成速率。需要说明的是，这些特征量化方法均是通过将信道测量值与量化门限进行比较的方式实现量化，而位于量化门限附近的信道测量值很容易受噪声影响造成合法通信双方量化差异，损害了初始密钥的一致性。

基于上述技术问题，本实施例提供一种信道特征量化方法，可以有效去除环境噪声对初始密钥的影响，增强合法通信双方初始密钥的相关性，有效降低合法通信双方初始密钥的不一致率，具体请参考图1，图1为本申请实施例所提供的一种信道特征量化方法的流程图，具体包括：

S101：利用信道探测信号进行信道探测，得到信道测量值。

本实施例并不限定信道探测信号的具体内容，可以包含导频信息，也可以包含其他内容，只要能够利用信道探测信号进行信道探测后，能够得到信道测量值即可。本实施例并不限利用信道探测信号进行信道探测的具体次数，可根据实际情况进行信道探测，可以理解的是，信道探测次数越多，得到的数据越多，更有利于生成初始密钥。本实施例并不限定获取信道测量值的具体过程。

在一种具体的实施例中，利用信道探测信号进行信道探测，得到信道测量值，可以包括：

利用信道探测信号中的导频信号进行CFR估计，得到CFR估计结果；

对CFR估计结果取模得到信道测量值。

可以理解的是，合法通信双方接收到互相发送的信道探测信号后，利用信道探测信号中的导频信息完成对CFR（Channel Frequency Response，信道频率响应）的估计，并对CFR估计结果取模后得到信道测量值。还可以理解的是，CFR估计结果可以包括幅值信息和相位信息，本实施例仅需要幅值信息，和幅值信息所对应的位置信息即可。还有，导频信息通常可以分为梳状导频，块状导频和格状导频，本实施例利用的是梳状导频。

S102、对信道测量值进行幅值位置预处理，得到预处理后的信道测量值；幅值位置预处理的过程是根据信道测量值的幅值，确定幅值对应的频点位置序号，并将频点位置序号作为预处理后的信道测量值。

可以理解的是，本申请实施例中采用基于信道探测值幅值的特征，再求幅值所对应的频点位置序号，将选取的频点位置序号作为预处理后的信道测量值，再进行后续的特征量化，即通过选取频点位置序号作为预处理后的信道测量值，再与量化门限即预设阈值进行比较量化，其中，预设阈值也是选取的频点位置序号，可以清晰的得到比较结果，进而确定量化结果，可以避免相关技术中采用基于幅值量化门限的方法，由于信道噪声干扰，幅值量化门限附近的信道测量值很多，导致合法通信双方进行比较量化的过程中，产生量化结果差异而损坏初始密钥的一致性。本实施例并不限定选取的信道测量值幅值的具体特征，可以是幅值的最大值，也可以是其他。

在一种具体的实施例中，对信道测量值进行幅值位置预处理，得到预处理后的信道测量值，可以包括：

确定各个信道测量值对应的所有频点的最大值，并确定最大值对应的频点位置序号；

将频点位置序号作为预处理后的信道测量值。

即，本实施例选取的是信道测量值对应频点的最大值，将最大值对应的频点位置序号作为预处理后的信道测量值。也就是，对信道测量值进行FFT变换为包含各个频点的CFR幅值，各个频点的CFR幅值构成信道测量值。

在一种具体的实施例中，基于CFR幅值最大值位置预处理的过程可以为：

1、信道测量值为

2、对于每个信道探测值

S103、将预处理后的信道测量值与预设阈值进行比较，并根据比较结果，对预处理后的信道测量值进行量化，得到量化结果。

可以理解的是，本实施例中的预设阈值选取的是信道测量值的频点位置序号。本实施例并不限定预设阈值的具体设定方式，可根据实际情况进行设定。

在一种具体的实施例中，为了合法通信双方提高比较结果的一致性，在将预处理后的信道测量值与预设阈值进行比较之前，还可以包括：

将各个信道探测值对应的总频点数位置序号的中间位置序号作为预设阈值。

即，本实施例中选取信道探测值对应的总频点数位置序号的中间位置序号作为预设阈值，可以理解的是，信道探测信号进行信道探测得到的信道探测值曲线通常呈现中间波谷，两侧波峰的形式，所以，本实施例中选取中间位置序号作为预设阈值，可以清晰的将预处理后的信道探测值与预设阈值进行比较，得到比较结果，降低了合法通信双方进行比较而得到比较结果的差异率。

本实施例并不限定进行量化的具体过程，当预设阈值为中间位置序号时，将预处理后的信道测量值与预设阈值进行比较，并根据比较结果，对预处理后的信道测量值进行量化，得到量化结果，可以包括：

判断预处理后的信道测量值是否大于中间位置序号；

若是，则将预处理后的信道测量值量化为1；

若否，则将预处理后的信道测量值量化为0。

即，本实施例将中间位置序号作为预设阈值与预处理后的信道测量值进行比较，当预处理后的信道测量值即信道测量值最大值对应的频点位置序号大于中间位置序号时，量化结果为1；当预处理后的信道测量值即信道测量值最大值对应的频点位置序号小于中间位置序号时，量化结果为0。可以理解的是，密钥通常为0和1的字符串，所以本实施例中根据比较结果，得到0和1的量化结果字符串。

在上述具体实施例中，将预处理后的信道测量值与预设阈值进行比较量化的具体过程如下，该实施例的流程图如图2所示。

1、预设阈值为每个信道探测值总频点数位置序号的中间位置序号

2、若

S104、根据量化结果，生成初始密钥。

可以理解的是，本实施例并不限定将量化结果生成初始密钥的顺序，只要合法通信双方保证两者的一致性即可。

在一种具体的实施例中，为了减少合法通信双方进行信息交互的频率，降低通信资源的占用，本实施例中根据量化结果，生成初始密钥，可以包括：

按照各个信道探测值对应的信道探测顺序，将量化结果进行串接，生成初始密钥。

本实施例按照信道探测顺序，将量化结果进行串接，得到初始密钥。即将信道探测顺序作为量化结果的串接顺序，无需设定其他复杂的串接方式，可以减少合法通信双方进行信息交互的频率，降低通信资源的占用。

基于上述技术方案，本实施例采用的是基于位置量化门限的方法获取得到初始密钥，可以有效去除环境噪声对初始密钥的影响，避免了相关技术中基于幅值量化门限的方法，量化门限附近的信道测量值易受噪声影响，引起合法通信双方量化结果的差异，损坏双方初始密钥一致率的缺陷，增强合法通信双方初始密钥的相关性，有效降低合法通信双方初始密钥的不一致率。

本实施例基于信道频率响应幅值最大值位置变化的特征量化方法，提供另一种具体的实施例。

步骤1、合法通信双方接收包含导频信息的信道探测信号进行信道探测，得到信道测量值；

本实施例中合法通信双方组成一个点对点的TDD-SCFDE（Time DivisionDuplexing-based Single Carrier Frequency Domain Equalization，时分双工单载波频域均衡）通信系统，合法通信双方通过互相发送信道探测信号的方式，利用接收到的探测信号中的导频信息完成对CFR（Channel Frequency Response，信道频率响应）的估计，并对CFR估计结果取模得到信道测量值，信号探测值采集示意图如图3所示。

步骤2：对信道测量值进行基于CFR幅值最大值位置预处理，得到预处理后的信道测量值；

步骤2.1：信道测量值

步骤2.2：对于每个信道探测值

本实施例中，每个SC-FDE符号在接收端进行频域均衡时FFT变换为64个频点，该64个频点的CFR值构成每次信道探测的信道测量值。为了实际效果，取210个SC-FDE符号的CFR值组成信道测量值

步骤3：对预处理后的信道测量值与预设阈值进行比较，根据比较结果将每个预处理后的信道测量值量化为1比特，得到初始密钥；

步骤3.1：预设阈值为每个信道探测值总频点位置序号64的中间位置序号32，对于上述预处理后的信道测量值，与所选的阈值即预设阈值32进行比较。

步骤3.2：若

将所有的量化结果串接起来得到初始密钥

为了验证本实施例提出的基于幅值位置预处理的特征量化，也就是基于信道频域响应幅值最大值位置预处理的方法，图5为该方法与基于接收的信号强度（RSSI）预处理后合法通信双方预处理数据之间的量化性能对比图；横坐标为信道探测次数序号，纵坐标为接收信号平均强度，可以看出双方的互易性较差。图6为对信道探测值用本发明提出的量化方法进行预处理后合法双方互易性效果表征图，横轴分别为合法通信双方（例如，Alice和Bob）信道探测值频点位置序号，竖轴为相应坐标分部次数，根据通信双方Alice和Bob的相应每组信道特征值最大位置序号为坐标，根据坐标分布次数做相应热图，根据观察通信双方每组信道探测值的最大位置大部分都出现在同侧，说明通信双方的信道互易性较好。与常用的基于RSSI的信道估计值互易性进行对比，本申请所提供的特征量化方法能够满足密钥提取对信道互易性的要求。

基于上述实施例，本申请基于信道频域响应幅值最大值位置变化的特征量化方法，通过CFR最大值对应频点位置序号对信道测量值进行预处理，可以有效去除环境噪声对初始密钥值的影响，增强合法通信双方初始密钥的相关性。该方法没有基于传统的幅值量化门限，而是基于位置量化门限实现对信道测量值的单比特量化，选取的新的量化特征门限有效降低了量化门限附近的信道测量值引起的合法通信双方量化结果的差异，从而可以有效降低合法通信双方初始密钥的不一致率。该方法还具有较低的计算复杂度，且特征量化过程中合法通信双方无需进行信息交互，可以有效降低通信资源的占用。

下面对本申请实施例提供的一种信道特征量化装置进行介绍，下文描述的特征量化装置与上文描述的信道特征量化方法可相互对应参照，相关模块均设置于中，参考图7，图7为本申请实施例所提供的一种信道特征量化装置的结构示意图，包括：

在一些具体的实施例中，具体包括：

信道探测模块701，用于利用信道探测信号进行信道探测，得到信道测量值；

预处理模块702，用于对信道测量值进行幅值位置预处理，得到预处理后的信道测量值；幅值位置预处理的过程是根据信道测量值的幅值，确定幅值对应的频点位置序号，并将频点位置序号作为预处理后的信道测量值；

量化模块703，用于将预处理后的信道测量值与预设阈值进行比较，并根据比较结果，对预处理后的信道测量值进行量化，得到量化结果；

生成模块704，用于根据量化结果，生成初始密钥。

在一些具体的实施例中，预处理模块702，包括：

确定单元，用于确定各个信道测量值对应的所有频点的最大值，并确定最大值对应的频点位置序号；

位置序号单元，用于将频点位置序号作为预处理后的信道测量值。

在一些具体的实施例中，还包括：

设置模块，用于将各个信道探测值对应的总频点数位置序号的中间位置序号作为预设阈值。

在一些具体的实施例中，量化模块703，包括：

判断预处理后的信道测量值是否大于中间位置序号；

若是，则将预处理后的信道测量值量化为1；

若否，则将预处理后的信道测量值量化为0。

在一些具体的实施例中，生成模块704，包括：

生成单元，用于按照各个信道探测值对应的信道探测顺序，将量化结果进行串接，生成初始密钥。

在一些具体的实施例中，信道探测模块701，包括：

CFR估计单元，用于利用信道探测信号中的导频信号进行CFR估计，得到CFR估计结果；

取模单元，用于对CFR估计结果取模得到信道测量值。

由于信道特征量化装置部分的实施例与信道特征量化方法部分的实施例相互对应，因此信道特征量化装置部分的实施例请参见信道特征量化方法部分的实施例的描述，这里暂不赘述。

下面对本申请实施例提供的一种电子设备进行介绍，下文描述的电子设备与上文描述的信道特征量化方法可相互对应参照。

本申请提供一种电子设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行计算机程序时实现如上述信道特征量化方法的步骤。

由于电子设备部分的实施例与信道特征量化方法部分的实施例相互对应，因此电子设备部分的实施例请参见信道特征量化方法部分的实施例的描述，这里暂不赘述。

本申请还公开了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述信道特征量化方法的步骤。

由于计算机可读存储介质部分的实施例与信道特征量化方法部分的实施例相互对应，因此计算机可读存储介质部分的实施例请参见信道特征量化方法部分的实施例的描述，这里暂不赘述。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本申请所提供的一种信道特征量化方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。