CN114629626B - 一种智能反射阵面提升物理层密钥生成性能系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能反射阵面提升物理层密钥生成性能系统，包括智能反射阵面，智能反射阵面向依次向终端设备A和终端设备B发射信号。本发明还公开了一种智能反射阵面提升物理层密钥生成性能的方法，本发明将智能反射镜面技术与物理层密钥生产结合，提升了传统物理层密钥生成技术的密钥生成速率，并在静态信道状态下仍能拥有良好的性能表现。

Description

一种智能反射阵面提升物理层密钥生成性能系统与方法

技术领域

本发明属于无线通信、网络空间安全技术领域，涉及一种智能反射阵面提升物理层密钥生成性能系统，本发明还涉及一种智能反射阵面提升物理层密钥生成性能的方法。

背景技术

无线通信与人们的日常生活结合越来越紧密，但是无线物理层信道的广播、非加密特性导致易遭受窃听、篡改和重放攻击，而传统的无线通信内容的保密性和完整性依赖协议上层的复杂加密算法。公钥密码体制是无线通信加密最常用的技术，但是该技术将会消耗大量的计算资源和能量，所以在许多无线通信场景下的应用受限(物联网节点、传感器网络、移动通信物理层同步/控制信道)，以低功耗物联网节点为例分析；一方面本发明不可能为其建立专用的密钥管理中心(公钥基础设施)，另一方面，物联网节点本身的计算能力和功耗约束也不支持进行复杂的加解密运算。

智能反射阵面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)为在物理层提升无线通信的保密性带来了新的曙光。智能反射阵面是由于超颖材料(Metamaterial)技术的发展而出现的，它将是未来6G无线网络中至关重要的组成部分。IRS也被称为可重配置智能表面(RIS)，它由大量无源阵元构成，这些无源阵元能够可调地改变反射信号相位，更明确地说，IRS上的每个无源阵元都能够通过对入射信号施加独立的相移来增强或破坏AP与用户之间的信道条件，因此IRS具有通过适当设计阵元相移，以有利的方式重新配置无线接入点(AP)和用户之间的信道传播环境的能力。由于IRS通过反射入射信号以无源模式运行，因此它可以显着提高无线网络的频谱和能效。此外，IRS成本低廉，并且很容易部署在建筑物的外墙，内墙，房间的天花板，灯柱和路标等上，在实际部署过程中具有便捷和轻量级的特点。

在无线场景实现加密通信更廉价和灵活的解决方案是物理层密钥生成技术，具体来讲是指利用无线用户之间的信道作为提取一致密钥的随机源，利用信道的互异性、随机性和位置唯一性在通信双方生成用于加密数据的一致密钥，最后通过高级加密标准(Advanced Encryption Standard,AES)算法对关键数据实现加密，物理层密钥生成技术适用于任何功率和计算能力有限的无线设备。

中国专利CN201610537357.2公开了一种确保无线通信安全的密钥生成方法，将信道探测信号(训练序列)的幅度、频率或相移作为信道的特征，通过信道状态估计、预处理、量化及编码、信息协调和隐私方法流程生成随机密钥。但是该方法非常依赖各类信道衰落对导频序列的随机影响，如果信道处于静态状态，则信道对探测信号没有时变的影响，那么该类技术方案的密钥生成速率是0比特/秒，在有限时间内无法生成任何密钥。

中国专利CN202010344216.5公开了一种MIMO-OFDM系统的主动信道密钥生成方法及系统，该系统通过设计MIMO波束赋形的预编码矩阵提升静态信道的密钥生成速率，具体来讲，不同的MIMO预编码矩阵会使接收端产生不同信号特征，因此实现了主动控制信道特征和增加信道时域随机性的功能，提升了静态信道状态下的密钥生成速率。但是该方法一方面不兼容现有的商用无线设备,需要对现有的移动通信和物联网通信协议进行重设计，另一方面对设备的硬件要求较高，通常物联网节点仅一根收发共用天线，不支持MIMO模式。

中国专利CN201910080352.5公开了一种基于信道特征的密钥生成方法，通过收发机设备发送的随机内容的探测信号，结合无线信道的随机衰落特性，提高静态信道状态的密钥生成系统性能。该方案虽然可以兼容现有的商用无线系统，并且当无线环境的扰动较小时，合法终端仍然能生成随机密钥，但是密钥内容由发送的随机训练序列直接决定，这与无加密地在不安全的信道中传输密钥内容没有区别，该类技术方案的风险非常大，无法保证密钥的保密性，并没有从根本上解决无线静态信道的密钥生成问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种智能反射阵面提升物理层密钥生成性能系统，该系统将智能反射阵面技术与物理层密钥生产结合，提升了传统物理层密钥生成技术的密钥生成速率，并在静态信道状态下仍能拥有良好的性能表现。

本发明的目的是还提供一种智能反射阵面提升物理层密钥生成性能的方法。

本发明所采用的第一种技术方案是，一种智能反射阵面提升物理层密钥生成性能的方法，具体包括如下步骤：

步骤1：初始化IRS、密钥生成设备；

步骤2：求解最优IRS加扰参数s^＊；

步骤3：Alice和Bob终端执行传统密钥生成步骤生成密钥比特；

步骤4：在通信过程中，终端设备A和终端设备B利用物理层生成的密钥和AES算法对数据加密；

其中，所述求解最优IRS加扰参数s^＊，还包括：

步骤2.1，输入待搜索的IRS加扰参数S_in，包括使能IRS数量N、反射/吸收状态切换速率f_{st_n}、反射系数切换速率f_{alp_n}或反射信号相位切换速率f_{ph_n}；

步骤2.2，输入待搜索IRS加扰参数的取值范围[B_low，B_up]；

步骤2.3，设置终止条件∈，所述终止条件∈的判定标准为：

当B_up-B_low＞∈时；

如果K(s_{temp_min_mid})大于K(s_{temp_max_mid})；

则B_up＝s_mid；

s^＊＝s_{temp_min_mid}；

反之，当K(s_{temp_min_mid})小于等于K(s_{temp_max_mid})；

则B_low＝s_mid；

s^＊＝s_{temp_max_mid}；

步骤2.4，将密钥生成速率K(s_in)由密钥生成设备通过无线链路传回IRS。

本发明所采用的第二种技术方案是，一种智能反射阵面提升物理层密钥生成性能系统，包括智能反射阵面，智能反射阵面向依次向终端设备A和终端设备B发射信号；

所述智能反射阵面包括若干个反射阵元、微控制器和供电设备，所述反射阵元包括反射与吸收两种状态，用于控制反射信号的幅度和相移，所述微控制器用于控制反射阵元状态的随机切换，且内部可存储和执行增加信道扰动的算法或策略；

所述终端设备A为Alice，终端设备B为Bob，所述终端设备Alice和终端设备Bob在空口层之间通过直射和反射链路相连，直射链路f即商用无线协议建设的空中接口，反射链路H和g是由智能反射阵面搭建；

所述密钥生成过程中包括信道探测、数据预处理、密钥比特量化、一致性协商及隐私放大。。

本发明的有益效果是，本发明首次给出了一种可实现的IRS提升物理层密钥生成系统性能的手段、方法、流程、方案和框架，并且本发明还给出了最佳加扰策略搜索方案，大大降低了整个IRS增强的密钥生成系统初始化时间，提高了整体系统的可用性。

附图说明

图1是本发明一种智能反射阵面提升物理层密钥生成性能系统的结构框图；

图2是本发明一种智能反射阵面提升物理层密钥生成性能系统中智能反射阵面增强的密钥生成系统流程图；

图3是本发明一种智能反射阵面提升物理层密钥生成性能的方法中最优IRS加扰参数的快速搜索流程图。

图中，1.智能反射阵面，2.终端设备A，3.终端设备B，4.窃听设备。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种智能反射阵面提升物理层密钥生成性能系统，如图1所示，包括智能反射阵面1(IRS)，智能反射阵面1向依次向终端设备A2和终端设备B3发射信号。

智能反射阵面1包括若干个反射阵元、微控制器和供电设备。

反射阵元包括反射与吸收两种状态，用于控制反射信号的幅度和相移。

微控制器用于控制反射阵元状态的随机切换，且内部可存储和执行增加信道扰动的算法或策略。在实施例中包括但不限于FPGA、单片机和专用芯片等。所述终端设备通常是有保密数据发送需求的设备，也即是密钥生成的主体设备。

终端设备通常包括：天线、射频电路和微控制器等，终端设备在不同无线通信技术中心代表的意义不同，例如：在4G LTE中是UE终端，在WiFi技术中是无线网卡和电子设备，在ZigBee和LoRa中是子节点等。

本实施例中终端设备A2为Alice，终端设备B3为Bob。终端设备A2和终端设备B3之间设有窃听设备4，窃听设备4用途窃听用户生成的密钥。

终端设备Alice和终端设备Bob在空口层之间通过直射和反射链路相连，直射链路f即商用无线协议建设的空中接口，反射链路H和g是由智能反射阵面搭建。

密钥生成过程如图2所示，物理层IRS反射链路作为信道随机源增加信道扰动、设备密钥生成过程和保密传输。

设备密钥生成过程是指在有密钥生成需求的设备中利用前述无线信道特性生成一致密钥的算法，该算法通常包括：信道探测、数据预处理、密钥比特量化、一致性协商和隐私放大。

信道探测是指：终端设备Alice和终端设备Bob互相发射已知的探测信号或是训练序列，以获取信道的时变特征，作为生成密钥的数据原材料。

数据预处理是指：终端设备Alice和终端设备Bob选择一段相同时间对信道的探测数据，对该数据进行滤波和去噪处理，去除异常值和噪声的干扰，可使用的滤波去噪算法包括但不限于：均值滤波、高斯滤波、自适应滤波等。

密钥比特量化是指：将去噪后的信道状态序列进一步转化为密钥比特，密钥比特量化有多种方案，包括：阈值判决法、自适应判决法、双门限判决算法。

一致性协商是指：由于信道和设备噪声的影响，信道的互异性较差时难以保证生成密钥的一致性，需要使用相应的检错和纠错编码，纠正双方所生成密钥中不一致的密钥比特，否则所生成的密钥比特不能被用于加密操作，但是该步骤会造成密钥信息泄露。因此，该步骤可以被省略，双方可以将密文通过相同的、不可逆的加密算法加密，直接对比密文内容是否一致，若一致则完成密钥生成，若双方对密钥加密后的密文内容不一致，则认为在密钥生成过程中出现了错误比特，双方丢弃该密钥重新协商生成。

隐私放大是指：由于密钥生成的速率受到设备采样性能和信道的时变状态影响较大，生成的密钥长度可能较短，本发明可以通过哈希单向加密算法拓展密钥的长度，使用于加密数据的密钥长度增加，增加窃听者的解密难度。

本发明基于IRS各个阵元反射链路的统计独立特性提出了一种加扰参数峰值搜索算法。通常来讲，每个反射阵元即是一个反射天线，为了避免天线间的耦合，阵元之间的间隔距离超过半个波长，因此本发明中，假设每个阵元之间的反射链路对于接收机来讲是统计独立的。

如果在本发明中，想获取当前加扰参数的密钥生成速率，则需要完整地执行图2实施例中物理层密钥生成的每个步骤，由于此过程的密钥生成速率是在Alice和Bob的设备中计算的，因此Alice和Bob需要将当前IRS加扰参数的密钥生成速率通过不安全的信道链路传输给IRS的微控制器，以指导IRS加扰参数的校正过程，进而提升密钥生成速率。

尽管本发明中的密钥生成可以直接设置加扰参数的测试步长，用传统的逐项查找法计算出所有可行加扰参数的密钥生成速率，最终选取那个使密钥生成速率最大的IRS加扰参数，但是该方法耗费时间较长。为了缩短搜索最优IRS加扰参数的时间，本发明结合IRS物理层设计了如图3的最优IRS加扰参数快速搜索方案。

本发明一种智能反射阵面提升物理层密钥生成性能的方法，具体包括如下步骤：

步骤1：初始化所述IRS、密钥生成设备；

步骤2：求解最优IRS加扰参数s^＊；

步骤2的具体步骤为：

步骤2.1，输入待搜索的IRS加扰参数S_in，包括使能IRS数量N、反射/吸收状态切换速率f_{st_n}、反射系数切换速率f_{alp_n}或反射信号相位切换速率f_{ph_n}；

步骤2.2，输入待搜索IRS加扰参数的取值范围[B_low，B_up]；

步骤2.3，设置终止条件∈；

步骤2.3中终止条件∈的判定标准为：

当B_up-B_low＞∈时；

如果K(s_{temp_min_mid})大于K(s_{temp_max_mid})；

则B_up＝s_mid；

s^＊＝s_{temp_min_mid}；

反之，当K(s_{temp_min_mid})小于等于K(s_{temp_max_mid})；

则B_low＝s_mid；S^＊＝s_{temp_max_mid}。

步骤2.4，将密钥生成速率K(s_in)由密钥生成设备通过无线链路传回IRS。

步骤3：Alice和Bob终端执行传统密钥生成步骤生成密钥比特。

步骤4：在通信过程中，终端设备A和终端设备B利用物理层生成的密钥和AES算法对数据加密。

本发明利用可编程无线环境智能反射阵面(IRS)增加物理层无线信道的扰动，提升物理层密钥生成的速率和一致性，同时不破坏信道的位置唯一性。具体来讲，IRS的每个反射阵元在合法无线设备之间建立了各自可编程反射链路，本发明通过控制反射链路能够使得反射信号与直射链路信号建设性或破坏地叠加，进而大大增加了合法设备接收信号的随机扰动。由于IRS能够人为地增加信道扰动，因此在静态信道条件下使密钥生成技术仍然保持较为优越的性能，满足数据加密的需求。

IRS增加信道扰动的加扰参数是指IRS能够使用的加扰策略，也即是能IRS中能提高信道扰动的参数，本发明通过寻找最佳的加扰参数实现密钥生成速率的最大化，包括：使能反射阵元数量、各个反射阵元吸收和反射的切换速率(状态持续时间改变速率)、反射系数切换速率(反射信号的强度改变速率)、反射信号相位切换速率。

使能反射阵元数量是IRS为信道加扰的重要参数，反射阵元数量直接决定了可编程控制反射链路的数量，用N表示，进而每一个反射链路均又有状态持续时间、反射系数和反射信号相位三个维度的策略。反射阵元状态持续时间改变速率是指反射阵元处于反射/吸收两种状态的持续时间的倒数(次/秒)用f_{st_n}表示，其单位是Hz,其中下标n表示第n个反射阵元，下同。所述反射系数的切换速率是指IRS单个阵元反射信号能量占总入射信号能量的比例，因实现原理不同部分IRS可能无法调整反射系数，针对那些可以实现反射系数调整优化的IRS，本发明用f_{alp_n}表示反射系数的切换速率；由于IRS的每个阵元能够控制反射信号相移，因此每个反射阵元的反射信号相移切换速率也是加扰策略之一，本发明使用f_{ph_n}表示。

因此，本发明可以通过合理设置反射阵元数量N、反射/吸收状态切换速率f_{st_n}、反射系数切换速率f_{alp_n}和反射信号相移切换速率f_{ph_n}参数使得反射链路信号随时间动态变化，即使在静态信道也能对探测信号造成时变扰动。

本发明首次将IRS的概念引入物理层密钥生成技术中，提出了IRS增强的密钥生成方法和系统，相较于传统的密钥生成技术方案，本发明提出的技术方案在静态信道中能够大大提升密钥生成速率。

本发明首次提出了IRS增强物理层密钥生成技术的具体技术路径，尤其涉及一种最佳IRS加扰策略的二分搜索技术方案，该方案相较于传统的逐项搜索方法具备轻量级、速度快等优势，大大减少了寻找最佳IRS加扰参数的时间，也即是降低系统的初始化时间。

IRS增强的密钥生成系统兼容现有商用设备，对设备配置要求极低，不需要多天线，因此我们提出的IRS增强的密钥生成系统具备轻量级、实用、易部署和兼容现有无线通信技术的特点。

Claims (2)

1.一种智能反射阵面提升物理层密钥生成性能的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤1：初始化IRS、密钥生成设备；

步骤2：求解最优IRS加扰参数s^＊；

步骤3：Alice和Bob终端执行传统密钥生成步骤生成密钥比特；

步骤4：在通信过程中，终端设备A和终端设备B利用物理层生成的密钥和AES算法对数据加密；

其中，所述求解最优IRS加扰参数s^＊，还包括：

步骤2.1，输入待搜索的IRS加扰参数S_in，包括使能IRS数量N、反射/吸收状态切换速率f_{st_n}、反射系数切换速率f_{alp_n}或反射信号相位切换速率f_{ph_n}；

步骤2.2，输入待搜索IRS加扰参数的取值范围[B_low，B_up]；

步骤2.3，设置终止条件∈；

步骤2.4，将密钥生成速率K(s_in)由密钥生成设备通过无线链路传回IRS；

其中，所述终止条件∈的判定标准为：

当B_up-B_low＞∈时；

如果K(s_{temp_min_mid})大于K(s_{temp_max_mid})；

则B_up＝s_mid；

a^＊＝s_{temp_min_mid}；

反之，当K(s_{temp_min_mid})小于等于K(s_{temp_max_mid})；

则B_low＝s_mid；

s^＊＝s_{temp_max_mid}。

2.一种智能反射阵面提升物理层密钥生成性能系统，应用于权利要求1，其特征在于：包括智能反射阵面，智能反射阵面向依次向终端设备A和终端设备B发射信号；

所述智能反射阵面包括若干个反射阵元、微控制器和供电设备，所述反射阵元包括反射与吸收两种状态，用于控制反射信号的幅度和相移，所述微控制器用于控制反射阵元状态的随机切换，且内部可存储和执行增加信道扰动的算法或策略；

所述终端设备A为Alice，终端设备B为Bob，所述终端设备Alice和终端设备Bob在空口层之间通过直射和反射链路相连，直射链路f即商用无线协议建设的空中接口，反射链路H和g是由智能反射阵面搭建；

所述密钥生成过程中包括信道探测、数据预处理、密钥比特量化、一致性协商及隐私放大。