CN114244469A - 一种安全传输方法、系统、介质、设备及数据处理终端 - Google Patents

一种安全传输方法、系统、介质、设备及数据处理终端 Download PDF

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CN114244469A CN202111383602.6A CN202111383602A CN114244469A CN 114244469 A CN114244469 A CN 114244469A CN 202111383602 A CN202111383602 A CN 202111383602A CN 114244469 A CN114244469 A CN 114244469A
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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种安全传输方法、系统、介质、设备及数据处理终端，所述安全传输方法包括：基站获取用户的信道状态信息；基站根据信道状态信息设置智能反射表面中各单元的参数，并将控制信息发送给智能反射表面；基站将用户信号进行广播；智能反射表面根据收到的控制信息，对信号进行反射，并同时产生干扰信号干扰窃听者；用户对接收到的反射信号进行解调，获得自己的目标信号，同时窃听者尝试解码用户信号。本发明充分利用了智能反射表面技术的优势，为其在无线通信方面的应用提供了一种新思路，同时为物理层安全传输提供了一种新的解决方案，提升了系统传输的保密速率及安全可靠性。

Description

一种安全传输方法、系统、介质、设备及数据处理终端
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种安全传输方法、系统、介质、设备及数据处理终端。
背景技术
目前，随着移动通信网络技术的不断发展，无线电频谱资源陷入了日益短缺的局面，因此，人们在未来的移动通信技术中将不可避免地开发更高的可用频段，但在使用更高频率的同时也会带来问题，例如信号的传播更加依赖于视线传播，而智能反射表面技术的出现为该问题提供了有效的解决方案，也因此成为未来6G网络中的备选技术之一。
智能反射表面由大量低开销无源反射单元构成，并且每一个单元在反射信号的同时都可以改变入射信号的幅度或相位，从而达到对信号进行修整，应对衰落的目的。因此，智能反射表面技术有能力改变传统无线电的传输环境，使得环境本身转化为一个软件可重构实体，为信号提供更可靠的传输质量。
不难看出，智能反射表面在某些方面与传统中继技术有着共性，例如都可以对入射信号进行修整并反射或转发给接收端，但相较于传统中继技术，智能反射表面仍然有自己的优势。如前所述，智能反射表面由无源反射单元构成，因此相较于中继，并不需要为其提供额外的能量源；智能反射表面不会受到噪声的影响，而且不需要模数转换、数模转换或功率放大器，因此当其反射信号时不会引入或放大噪声，并且可以提供全双工传输；智能反射表面容易部署，例如建筑物表面或室内天花板等等。
基于智能反射表面对于信号的修整能力，其在物理层安全方面的应用也得到了越来越多的关注。例如，2021年，Sheng Hong等人在“IEEE TRANSACTIONS ON WIRELESSCOMMUNICATIONS”(《国际电气电子工程师学会无线通信学报》)中提出了一种典型的基于智能反射表面的物理层安全传输方案，在该方案中，基站同时发射信号与人工噪声，智能反射表面同时反射信号与噪声，达到协助传输与干扰窃听者的目的。2021年，Guen Sun等人在“IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY”(《国际电气电子工程师学会车辆技术学报》)中研究了另一种具有代表性的场景，即发射端利用智能反射表面对于信号相位调整的能力，对传输信号进行波束赋形，使合法用户处接收到的信号最大化，而窃听者处接收到的信号最小化。
从上述典型例子中不难看出，智能反射表面在物理层安全传输中，通常扮演着转发信号并对其波束赋形的角色，但合法用户的信号更多地依赖于其与发射端之间的直传链路。因此，现有技术存在的问题及缺陷为：在实际当中，并不能保证直传链路一定存在，同时，由发射端发射人工噪声虽然可以避免引入额外干扰源带来的开销，但是这种方法势必会降低合法用户信号的发射功率，并且也会提高发射端的复杂度。
通过上述分析，解决以上问题的难点在于：(1)发射端和合法用户之间没有直传链路；(2)不引入额外的干扰源；(3)发射端只发送合法用户信号。
解决以上问题的意义在于：在未来的移动通信网络中将不可避免地使用更高的频率，而极高频率的信号传播更加依赖于视线传播，所以智能反射表面技术将是未来网络中不可或缺的部分，因此基于智能反射表面的物理层安全传输方案也成为了不可忽视的研究内容，本发明通过解决前述问题，打破了智能反射表面在传统传输方案中扮演的角色，提高了合法用户信号的发射功率，克服了无直传链路的难点，为物理层安全传输提供了一种新的方案。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种安全传输方法、系统、介质、设备及数据处理终端，尤其涉及一种基于智能反射表面的安全传输方法、系统、介质、设备及数据处理终端。
本发明是这样实现的，一种安全传输方法，所述安全传输方法包括以下步骤：
步骤一，基站获取用户的信道状态信息，为后续智能反射表面中各单元的参数设置做准备；
步骤二，基站根据信道状态信息设置智能反射表面中各单元的参数，并将控制信息发送给智能反射表面，以便于在信号传播过程中按照需求对信号进行修整；
步骤三，基站将用户信号进行广播；
步骤四，智能反射表面根据收到的控制信息，对信号进行反射，并同时产生干扰信号干扰窃听者，以达到安全传输的目的；
步骤五，用户对接收到的反射信号进行解调，获得自己的目标信号，同时窃听者尝试解码用户信号。
进一步，步骤一中，所述基站对用户与基站之间级联信道的信息获取，是由用户向基站发送导频信号，所述基站依据预先设置的智能反射表面系数对级联信道信息进行估计。
进一步，步骤二中，所述基站根据信道状态信息设置智能反射表面中各单元的参数，并将控制信息发送给智能反射表面，包括：
(1)基站将智能反射表面其中L个单元的参数以信号反射为目的进行设置；
(2)智能反射表面与一控制器相连接，基站通过将控制信息发送给该控制器来实现对智能反射表面中各单元的设置；其中，所述控制器为现场可编程门阵列FPGA。
进一步，步骤(1)中，所述基站将智能反射表面其中L个单元的参数以信号反射为目的进行设置，包括：
将其中K个单元的参数以干扰生成为目的进行设置，且满足L+K＝M，M为智能反射表面单元总个数，即：
Θ＝Θr+Θj；
其中，Θ为智能反射表面的相移矩阵，
Figure BDA0003366526950000041
为用于反射信号的相移矩阵，
Figure BDA0003366526950000042
为用于生成干扰信号的相移矩阵，其中
Figure BDA0003366526950000043
和
Figure BDA0003366526950000044
为各单元的幅度响应，且有：
Figure BDA0003366526950000045
考虑实际实施中的复杂度问题，各单元的幅度响应
Figure BDA0003366526950000046
及
Figure BDA0003366526950000047
均采用离散相移，其值由均匀量化产生，即：
Figure BDA0003366526950000048
其中，B＝2b为量化级别的数量，b为量化比特数。
进一步，步骤五中，所述用户接收到的信号表示为：
Figure BDA0003366526950000049
其中，hb，r为基站与智能反射表面之间的信道，hr，u为智能反射表面与用户之间的信道，s为用户信号，n为加性高斯白噪声，功率为
Figure BDA00033665269500000410
Pt为基站处发射功率。
用户解调目标信号时的信号干扰噪声比表示为：
Figure BDA00033665269500000411
则用户端的可达速率为：
Figure BDA00033665269500000412
同时，窃听者处接收到的信号表示为：
Figure BDA00033665269500000413
窃听者解调用户信号时的信号干扰噪声比表示为：
Figure BDA0003366526950000051
则窃听者的可达速率为：
Figure BDA0003366526950000052
因此，该系统的保密速率表示为：
Figure BDA0003366526950000053
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的安全传输方法的安全传输系统，所述安全传输系统，包括1个基站，1个智能反射表面，1名用户以及1名窃听者；所述基站、用户及窃听者均为单天线，且用户与基站之间无直传链路，智能反射表面包含M个单元，其中L个单元用于反射信号，K个单元用于产生干扰信号，且满足L+K＝M。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
基站获取用户的信道状态信息；基站根据信道状态信息设置智能反射表面中各单元的参数，并将控制信息发送给智能反射表面；基站将用户信号进行广播；智能反射表面根据收到的控制信息，对信号进行反射，并同时产生干扰信号干扰窃听者；用户对接收到的反射信号进行解调，获得自己的目标信号，同时窃听者尝试解码用户信号。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
基站获取用户的信道状态信息；基站根据信道状态信息设置智能反射表面中各单元的参数，并将控制信息发送给智能反射表面；基站将用户信号进行广播；智能反射表面根据收到的控制信息，对信号进行反射，并同时产生干扰信号干扰窃听者；用户对接收到的反射信号进行解调，获得自己的目标信号，同时窃听者尝试解码用户信号。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的安全传输系统。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提出了一种新型的物理层安全传输方案。在本方案中，基站通过智能反射表面与用户进行通信，且智能反射表面上的单元分为两组，其中一组对入射信号进行修整并反射给目标用户，另一组将入射信号修整为干扰信号，对窃听者进行干扰，并且该方案无需知道窃听者的瞬时信道信息。本发明充分利用了智能反射表面技术的优势，通过提出一种新的工作模式，为其在无线通信方面的应用提供了一种新思路，同时为物理层安全传输提供了一种新的解决方案，提升了系统传输的保密速率及安全可靠性。该方案使得物理层安全传输在不引入额外干扰源，且用户与基站之间没有直传链路的情况下成为可能，除此之外，通过将干扰生成功能部署在智能反射表面处，基站不再需要分配额外的天线来发射干扰，提高了合法用户信号的发射功率，并且本方案无需知道窃听者的瞬时信道信息，弥补了物理层安全传输在类似场景下的研究空白。
本发明使得智能反射表面能够在反射信号的同时，生成干扰信号对窃听者进行干扰。本发明为物理层安全传输提供了一种全新的解决方案，可有效提升系统传输的保密速率及安全可靠性，并且无需窃听者的瞬时信道信息，使物理层安全传输在不引入额外干扰源且用户与基站之间没有直传链路的情况下成为可能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的安全传输方法流程图。
图2是本发明实施例提供的安全传输方法原理图。
图3是本发明实施例提供的物理层安全传输系统的模型图。
图4是本发明实施例的仿真结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本方案的应用包括但不限于图3所示的场景，其中智能反射表面中负责反射信号的单元在本方案中可进一步扩展为透射单元，因此对于用户处于建筑物内的场景同样适用，此外，本方案也可兼容直传链路存在的场景，并且已知窃听者瞬时信道信息的情况可以使得本方案的性能得到进一步的提升。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种安全传输方法、系统、介质、设备及数据处理终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的安全传输方法包括以下步骤：
S101，基站获取用户的信道状态信息；
S102，基站根据信道状态信息设置智能反射表面中各单元的参数，并将控制信息发送给智能反射表面；
S103，基站将用户信号进行广播；
S104，智能反射表面根据收到的控制信息，对信号进行反射，并同时产生干扰信号干扰窃听者；
S105，用户对接收到的反射信号进行解调，获得自己的目标信号，同时窃听者尝试解码用户信号。
本发明实施例提供的安全传输方法原理图如图2所示。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
本发明提出了一种新型的物理层安全传输方案。在本方案中，基站通过智能反射表面与用户进行通信，且智能反射表面上的单元分为两组，其中一组对入射信号进行修整并反射给目标用户，另一组将入射信号修整为干扰信号，对窃听者进行干扰。本发明充分利用了智能反射表面技术的优势，为其在无线通信方面的应用提供了一种新思路，同时为物理层安全传输提供了一种新的解决方案，提升了系统传输的保密速率及安全可靠性，并且无需窃听者的瞬时信道信息，使物理层安全传输在不引入额外干扰源且用户与单天线基站之间没有直传链路的情况下成为可能。
如图3所示，本发明所使用的物理层安全传输系统，包含1个基站，1个智能反射表面，1名用户以及1名窃听者，基站，用户及窃听者均为单天线，且用户与基站之间无直传链路，智能反射表面包含M个单元，其中L个单元用来反射信号，K个单元用来产生干扰信号，且满足L+K＝M。
如图2所示，本发明的实现步骤如下：
一种基于智能反射表面的安全传输方法，所述系统中包含1个基站，1个智能反射表面，1名用户以及1名窃听者，基站，用户及窃听者均为单天线，且用户与基站之间无直传链路，智能反射表面包含M个单元，其中L个单元用来反射信号，K个单元用来产生干扰信号，且满足L+K＝M；其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1，基站获取用户的信道状态信息；
S2，基站根据信道状态信息设置智能反射表面中各单元的参数，并将控制信息发送给智能反射表面；
S3，基站将用户信号进行广播；
S4，智能反射表面根据收到的控制信息，对信号进行反射，并同时产生干扰信号干扰窃听者；
S5，用户对接收到的反射信号进行解调，获得自己的目标信号，同时窃听者尝试解码用户信号。
进一步地，基站对用户与基站之间级联信道的信息获取，是由用户向基站发送导频信号，基站依据预先设置的智能反射表面系数对级联信道信息进行估计。
进一步地，步骤S2的具体方法如下：
S21，基站将智能反射表面其中L个单元的参数以信号反射为目的进行设置，将其中K个单元的参数以干扰生成为目的进行设置，且满足L+K＝M，M为智能反射表面单元总个数，即：
Θ＝Θr+Θj；
其中Θ为智能反射表面的相移矩阵，
Figure BDA0003366526950000091
为用来反射信号的相移矩阵，
Figure BDA0003366526950000092
为用来生成干扰信号的相移矩阵，其中
Figure BDA0003366526950000093
和
Figure BDA0003366526950000094
为各单元的幅度响应，并且有：
Figure BDA0003366526950000095
同时，考虑到实际实施中的复杂度问题，本方法中各单元的幅度响应
Figure BDA0003366526950000096
及
Figure BDA0003366526950000097
均采用离散相移，其值由均匀量化产生，即：
Figure BDA0003366526950000098
其中B＝2b为量化级别的数量，b为量化比特数；
S22，智能反射表面与一控制器相连接，如现场可编程门阵列(FPGA)，基站通过将控制信息发送给该控制器来实现对智能反射表面中各单元的设置。
进一步地，用户接收到的信号可以表示为：
Figure BDA0003366526950000099
其中hb，r为基站与智能反射表面之间的信道，hr，u为智能反射表面与用户之间的信道，s为用户信号，n为加性高斯白噪声，其功率为
Figure BDA0003366526950000101
Pt为基站处发射功率。用户解调目标信号时的信号干扰噪声比可以表示为：
Figure BDA0003366526950000102
则用户端的可达速率为：
Figure BDA0003366526950000103
同时，窃听者处接收到的信号可以表示为：
Figure BDA0003366526950000104
窃听者解调用户信号时的信号干扰噪声比可以表示为：
Figure BDA0003366526950000105
则窃听者的可达速率为：
Figure BDA0003366526950000106
因此，该系统的保密速率可表示为：
Figure BDA0003366526950000107
如图4所示，本方面的方案相较于将智能反射表面全部单元用来反射信号，保密速率得到了明显的提升，用户可以获得更高的安全可靠性，且无需窃听者的瞬时信道信息以及发射端与接收端之间的直传链路，除此之外，发射端也无需分配额外功率发送干扰信号，保证了合法用户信号的传输功率。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘Solid StateDisk(SSD))等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种安全传输方法，其特征在于，所述安全传输方法包括以下步骤：
步骤一，基站获取用户的信道状态信息；
步骤二，基站根据信道状态信息设置智能反射表面中各单元的参数，并将控制信息发送给智能反射表面；
步骤三，基站将用户信号进行广播；
步骤四，智能反射表面根据收到的控制信息，对信号进行反射，并同时产生干扰信号干扰窃听者；
步骤五，用户对接收到的反射信号进行解调，获得自己的目标信号，同时窃听者尝试解码用户信号。
2.如权利要求1所述的安全传输方法，其特征在于，步骤一中，所述基站对用户与基站之间级联信道的信息获取，是由用户向基站发送导频信号，所述基站依据预先设置的智能反射表面系数对级联信道信息进行估计。
3.如权利要求1所述的安全传输方法，其特征在于，步骤二中，所述基站根据信道状态信息设置智能反射表面中各单元的参数，并将控制信息发送给智能反射表面，包括：
(1)基站将智能反射表面其中L个单元的参数以信号反射为目的进行设置；
(2)智能反射表面与一控制器相连接，基站通过将控制信息发送给该控制器来实现对智能反射表面中各单元的设置；其中，所述控制器为现场可编程门阵列FPGA。
4.如权利要求4所述的安全传输方法，其特征在于，步骤(1)中，所述基站将智能反射表面其中L个单元的参数以信号反射为目的进行设置，包括：
将其中K个单元的参数以干扰生成为目的进行设置，且满足L+K＝M，M为智能反射表面单元总个数：
Θ＝Θr+Θj；
其中，Θ为智能反射表面的相移矩阵，
Figure FDA0003366526940000011
为用于反射信号的相移矩阵，
Figure FDA0003366526940000021
为用于生成干扰信号的相移矩阵，其中
Figure FDA0003366526940000022
和
Figure FDA0003366526940000023
为各单元的幅度响应，且有：
Figure FDA0003366526940000024
考虑实际实施中的复杂度问题，各单元的幅度响应
Figure FDA0003366526940000025
及
Figure FDA0003366526940000026
均采用离散相移，其值由均匀量化产生：
Figure FDA0003366526940000027
其中，B＝2b为量化级别的数量，b为量化比特数。
5.如权利要求1所述的安全传输方法，其特征在于，步骤五中，所述用户接收到的信号表示为：
Figure FDA0003366526940000028
其中，hb，r为基站与智能反射表面之间的信道，hr，u为智能反射表面与用户之间的信道，s为用户信号，n为加性高斯白噪声，功率为
Figure FDA0003366526940000029
Pt为基站处发射功率；
用户解调目标信号时的信号干扰噪声比表示为：
Figure FDA00033665269400000210
则用户端的可达速率为：
Figure FDA00033665269400000211
同时，窃听者处接收到的信号表示为：
Figure FDA00033665269400000212
窃听者解调用户信号时的信号干扰噪声比表示为：
Figure FDA0003366526940000031
则窃听者的可达速率为：
Figure FDA0003366526940000032
因此，该系统的保密速率表示为：
Figure FDA0003366526940000033
6.一种实施权利要求1～5任意一项所述的安全传输方法的安全传输系统，其特征在于，所述安全传输系统，包括1个基站，1个智能反射表面，1名用户以及1名窃听者；所述基站、用户及窃听者均为单天线，且用户与基站之间无直传链路，智能反射表面包含M个单元，其中L个单元用于反射信号，K个单元用于产生干扰信号，且满足L+K＝M。
7.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
基站获取用户的信道状态信息；基站根据信道状态信息设置智能反射表面中各单元的参数，并将控制信息发送给智能反射表面；基站将用户信号进行广播；智能反射表面根据收到的控制信息，对信号进行反射，并同时产生干扰信号干扰窃听者；用户对接收到的反射信号进行解调，获得自己的目标信号，同时窃听者尝试解码用户信号。
8.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
基站获取用户的信道状态信息；基站根据信道状态信息设置智能反射表面中各单元的参数，并将控制信息发送给智能反射表面；基站将用户信号进行广播；智能反射表面根据收到的控制信息，对信号进行反射，并同时产生干扰信号干扰窃听者；用户对接收到的反射信号进行解调，获得自己的目标信号，同时窃听者尝试解码用户信号。
9.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现如权利要求6所述的安全传输系统。
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