CN115021915B - 基于智能反射表面的密钥生成方法、装置、介质及设备 - Google Patents

基于智能反射表面的密钥生成方法、装置、介质及设备 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种基于智能反射表面的密钥生成方法、装置、计算机可读存储介质及电子设备，涉及通信技术领域。该方法包括：对多个用户的信道进行估计，得到与多个用户对应的多个信道状态信息；随机生成IRS反射系数矩阵；根据随机生成的IRS反射系数矩阵和多个信道状态信息确定目标信道；根据目标信道重新调整IRS反射系数矩阵；以及根据重新调整的IRS反射系数矩阵，利用目标信道生成密钥。本公开实现了在IRS辅助的多用户通信系统中公平地提升每个用户的密钥生成速率的技术效果。

Description

基于智能反射表面的密钥生成方法、装置、介质及设备
技术领域
本公开涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于智能反射表面的密钥生成方法、密钥生成装置、计算机可读存储介质及电子设备。
背景技术
智能反射面(Intelligent reflecting surface,IRS)是近年来比较火热的通信技术，它可以智能地改变无线信道，以很小的代价提高通信性能。
由于无线信号传播的开放性和广播性，合法节点在通信时，其周围潜在的窃听节点可以窃听到无线信号，物理层安全技术被认为是提高6G内生安全的前沿技术。物理层密钥生成技术是物理层安全技术中的一个子类，该技术提取无线信道中的特征生成密钥用于通信信息的加密，提高物理层密钥的生成速率一直是研究的热点。
在IRS辅助的多用户通信系统中，如何通过适当地调整IRS的反射系数以公平地提升每个用户的密钥生成速率仍然是一个亟需解决的问题。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开的目的在于提供一种基于智能反射表面IRS的密钥生成方法，以至少解决相关技术中，在IRS辅助的多用户通信系统中，如何通过适当地调整IRS的反射系数以公平地提升每个用户的密钥生成速率的技术问题。
本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。
本公开的技术方案如下：
根据本公开的一个方面，提供一种基于智能反射表面IRS的密钥生成方法，其特征在于，该方法包括：对多个用户的信道进行估计，得到与多个用户对应的多个信道状态信息；随机生成IRS反射系数矩阵；根据随机生成的IRS反射系数矩阵和多个信道状态信息确定目标信道；根据目标信道重新调整IRS反射系数矩阵；以及根据重新调整的IRS反射系数矩阵的辅助下，利用目标信道生成密钥。
在本公开的一些实施例中，根据随机生成的IRS反射系数矩阵和多个信道状态信息确定目标信道包括：根据随机生成的IRS反射系数矩阵和多个信道状态信息生成多个信道对应的多个第一批次密钥生成速率；根据多个第一批次密钥生成速率确定具有相对最小的密钥生成速率的信道作为目标信道。
在本公开的一些实施例中，根据目标信道重新调整IRS反射系数矩阵包括：通过最大化目标信道的密钥生成速率重新调整IRS反射系数矩阵。
在本公开的一些实施例中，根据目标信道重新调整IRS反射系数矩阵之后还包括：根据重新调整的IRS反射系数矩阵和多个信道的信道状态信息生成对应的第二批次密钥生成速率；根据重新调整的IRS反射系数矩阵，利用目标信道生成密钥包括：根据重新调整的IRS反射系数矩阵，利用第二批次密钥生成速率达到速率阈值的一个或多个用户的信道生成密钥，其中一个或多个用户包括目标信道的用户。
在本公开的一些实施例中，根据重新调整的IRS反射系数矩阵的辅助下，利用第二批次密钥生成速率达到速率阈值的一个或多个用户的信道生成密钥之后包括：根据第二批次密钥生成速率确定是否存在未达到速率阈值的信道；若存在未达到速率阈值的信道，则根据未达到速率阈值的信道数量重新调整IRS反射系数矩阵生成密钥。
在本公开的一些实施例中，根据未达到速率阈值的信道数量，重新调整IRS反射系数矩阵，在重新调整的IRS反射系数矩阵的辅助下生成密钥包括：若未达到速率阈值的信道数量为1，则将未达到速率阈值的信道作为目标信道；返回根据所述目标信道重新调整IRS反射系数矩阵；若未达到速率阈值的信道数量大于1，则返回对多个用户的信道进行估计，得到与多个用户对应的多个信道状态信息的步骤。
在本公开的一些实施例中，根据重新调整的IRS反射系数矩阵，利用第二批次密钥生成速率达到速率阈值的一个或多个用户的信道生成密钥包括：根据IRS反射系数矩阵获取一个或多个用户的信道的一个或多个相位信息；获取密钥序列与相位区间的对应关系；以及根据一个或多个相位信息和相位区间确定对应的密钥序列。
根据本公开的又一个方面，提供一种基于智能反射表面IRS的密钥生成装置，该装置包括：信道估计模块，用于对多个用户的信道进行估计，得到与多个用户对应的多个信道状态信息；IRS随机模块，用于随机生成IRS反射系数矩阵；目标信道确定模块，用于根据随机生成的IRS反射系数矩阵和多个信道状态信息确定目标信道；IRS调整模块，用于根据目标信道重新调整IRS反射系数矩阵；密钥生成模块，用于根据重新调整的IRS反射系数矩阵，利用目标信道生成密钥。
根据本公开的再一个方面，提供一种电子设备，包括：处理器；以及存储器，用于存储所述处理器的可执行指令；其中，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行上述的基于智能反射表面IRS的密钥生成方法。
根据本公开的又一个方面，提供一种计算机可读存储介质，其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上述的基于智能反射表面IRS的密钥生成方法。
本公开提出一种IRS辅助的多用户通信系统中的密钥生成方案，通过对系统中存在的多个通信用户的信道进行信道估计，并随机设置IRS反射系数矩阵确定目标用户的方法，一方面通过随机设置的方法更加公平地提高系统中用户的通信性能；另一方面通过确定目标用户并针对目标用户重新调整IRS反射系数矩阵使该系统的信道安全性得到了精准的提升。
进一步地，通过自动调整IRS反射系数矩阵辅助用户生成密钥的方法使基于IRS的通信系统更加智能化。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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示出本公开实施例应用的无线通信系统的结构示意图。
图2A示出本公开实施例中一种基于智能反射表面IRS的密钥生成方法的流程图。
图2B示出本公开实施例中一种基于智能反射表面IRS的密钥生成方法的场景示意图。
图3示出本公开实施例中又一种基于智能反射表面IRS的密钥生成方法的流程图。
图4示出本公开实施例中一种基于智能反射表面IRS的密钥生成方法中重新确定IRS反射系数矩阵的方法流程图。
图5示出本公开实施例中一种基于智能反射表面IRS的密钥生成方法中利用信道生成密钥的方法流程图。
图6示出本公开实施例中一种基于智能反射表面IRS的密钥生成装置的示意图。
图7示出本公开实施例中一种基于智能反射表面IRS的密钥生成方法的计算机设备的结构框图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。
此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
针对上述相关技术中存在的技术问题，本公开实施例提供了一种基于智能反射表面(Intelligent reflecting surface,IRS)的密钥生成方法，以用于至少解决上述技术问题中的一个或全部。
图1示出本公开实施例应用的无线通信系统的结构示意图。该通信系统可以包括多个通信设备，如图1中的基站(base station，BS)110和终端设备120。需要说明的是，通信系统可以包括至少一种通信设备，比如基站、UE、路由器或核心网(core network，CN)设备等通信设备，图1中以通信系统中的多个通信设备包括基站110和终端设备120为例。
其中，基站110也可以称为NodeB，本申请实施例提供的通信系统中的基站可以为任一种基站，如：长期演进(long term evolution，LTE)基站(也称eNB)、第五代(5thgeneration，5G)新无线(new radio，NR)系统中提供的继续演进的节点B基站(也称gNB)、第六代(6th generation，6G)基站或者未来通信标准的基站等。UE可以为任一种UE，如：车载型UE、便携型UE、手持型UE或者飞行器等。
在本公开的一些实施例中，基站110也可以称为网络设备。网络设备可以为支持有线接入的设备，也可以为支持无线接入的设备。示例性的，该网络设备可以为接入网(access network，AN)/无线接入网(radio access network，RAN)设备，由多个AN/RAN节点组成。AN/RAN节点可以为：接入点(access point，AP)、基站(nodeB，NB)、增强型基站(enhance nodeB，eNB)、下一代基站(如NR中的基站：gNB)、传输接收点(transmissionreception point，TRP)、传输点(transmission point，TP)或某种其它接入节点等。
在本公开的一些实施例中，一些RAN节点的举例可以为：继续演进的节点B(gNB)、演进型节点B(evolved Node B，eNB)、无线网络控制器(radio network controller，RNC)、家庭基站(例如，home evolved NodeB，或home NodeB，HNB)、无线保真(wirelessfidelity，WiFi)、接入点(AP)、无线中继节点、无线回传节点、传输点(TP)或者传输接收点(TRP)等，还可以为5G，如，NR系统中的gNB，或，传输点(TRP或TP)，5G系统中的基站的一个或一组天线面板，或者移动站点，或者，无人机站，或者，卫星站，或者，还可以为构成gNB或传输点的网络节点，如基带单元(baseband unit，BBU)，或，分布式单元(distributed unit，DU)，D2D、V2X、机器到机器(machine-to-machine，M2M)通信中承担基站功能的设备，或者未来的通信系统中的基站等。
在本公开的一些实施例中，gNB可以包括集中式单元(centralized unit，CU)和DU，gNB还可以包括有源天线单元(active antenna unit，AAU)。CU可以实现gNB的部分功能，DU可以实现gNB的部分功能，示例性地，CU负责处理非实时协议和服务，实现无线资源控制(radio resource control，RRC)，分组数据汇聚层协议(packet data convergenceprotocol，PDCP)层的功能。DU负责处理物理层协议和实时服务，实现无线链路控制(radiolink control，RLC)层、介质接入控制(medium access control，MAC)层和物理(physical，PHY)层的功能。AAU实现部分物理层处理功能、射频处理及有源天线的相关功能。由于RRC层的信息最终会变成PHY层的信息，或者，由PHY层的信息转变而来，因而，在这种架构下，高层信令，如RRC层信令，也可以认为是由DU发送的，或者，由DU和AAU发送的。可以理解的是，网络设备可以为包括CU节点、DU节点、AAU节点中一项或多项的设备。此外，可以将CU划分为RAN中的网络设备，也可以将CU划分为核心网中的网络设备，本申请对此不做限定。
网络设备可以为小区提供服务，终端设备通过网络设备分配的传输资源(例如，频域资源，或者说，频谱资源)与小区进行通信，该小区可以属于宏基站(例如，宏eNB或宏gNB等)，也可以属于小小区(small cell)对应的基站，这里的小小区可以包括：城市小区(metro cell)、微小区(micro cell)、微微小区(pico cell)、毫微微小区(femto cell)等，这些小小区具有覆盖范围小、发射功率低的特点，适用于提供高速率的数据传输服务。
在本公开的一些实施例中，终端设备120可以称为终端(terminal)或者用户设备(user equipment，UE)或者移动台(mobile station，MS)或者移动终端(mobile terminal，MT)等，可以是指向用户提供语音和/或数据连通性的设备。示例地，终端设备可以是手机(mobile phone)、无人机、平板电脑，或带无线收发功能的电脑，或具有无线连接功能的手持式设备、车载设备等。终端设备还可以是掌上电脑、移动互联网设备(mobile internetdevice，MID)、可穿戴设备、增强移动宽带(enhanced mobile broadband，eMBB)终端、超可靠低时延通信(ultra-reliable low-latency communication，URLLC)终端、机器类型通信(machine type communication，MTC)终端、窄带物联网(narrow band internet ofthings，NB-IoT)终端、客户前置设备(customer premise equipment，CPE)终端、虚拟现实(virtual reality，VR)终端、增强现实(augmented reality，AR)终端、车辆外联(vehicleto everything，V2X)终端、工业控制中的无线终端、无人驾驶中的无线终端、远程医疗中的无线终端、智能电网中的无线终端、运输安全中的无线终端、智慧城市(smart city)中的无线终端、智慧家庭(smart home)中的无线终端、传感器、蜂窝电话、无绳电话、会话启动协议(session initiation protocol，SIP)电话、无线本地环路(wireless local loop，WLL)站、个人数字助理(personal digital assistant，PDA)、计算设备或连接到无线调制解调器的其它处理设备、车载终端、具有车与车的通信(vehicle to vehicle，V2V)能力的车辆、有无人机(unmanned aerial vehicle，UAV)对无人机通信能力的无人机、5G网络中的终端设备或者未来演进的公用陆地移动通信网络(public land mobile network，PLMN)中的终端设备等，不予限制。
其中，可穿戴设备也可以称为穿戴式智能设备，是应用穿戴式技术对日常穿戴进行智能化设计、开发出可以穿戴的设备的总称，如眼镜、手套、手表、服饰及鞋等。可穿戴设备即直接穿在身上，或是整合到用户的衣服或配件的一种便携式设备。可穿戴设备不仅是一种硬件设备，更是通过软件支持以及数据交互、云端交互来实现强大的功能。广义穿戴式智能设备包括功能全、尺寸大、可不依赖智能手机实现完整或者部分的功能，例如：智能手表或智能眼镜等，以及只专注于某一类应用功能，需要和其它设备如智能手机配合使用，如各类进行体征监测的智能手环、智能首饰等。
此外，终端设备120还可以是物联网(internet of things，IoT)系统中的终端设备。IoT是未来信息技术发展的重要组成部分，其主要技术特点是将物品通过通信技术与网络连接，从而实现人机互连，物物互连的智能化网络。IoT技术可以通过例如窄带(narrowband，NB)技术，做到海量连接，深度覆盖，终端省电。
此外，终端设备120还可以包括智能打印机、火车探测器、加油站等传感器，主要功能包括收集数据、接收网络设备的控制信息与下行数据，并发送电磁波，向网络设备传输上行数据。
通信系统中的通信设备间可以相互传输信号，比如图1中的基站110与终端设备120可以通过空口互相传输信号。
示例地，通信系统中的基站110可以采用大规模天线技术与终端设备120进行通信。大规模天线技术，即大规模MIMO技术，亦称为massive(中文：巨大的)MIMO技术，也可以称为三维(three dimensional，3D)MIMO技术或全维度MIMO技术等。大规模天线技术相对于传统的MIMO技术，大规模天线技术可以提供更多的天线，更多的数据传输通道。大规模天线技术的应用使得基站110可以在有限的时频资源上为更多的终端设备12-提供服务，并且在基站110与终端设备120之间提供了更多到达路径，提高基站110和终端设备120之间传输信号的可靠性。但是，大规模天线技术的广泛应用也存在着高成本和高功耗的问题。
为了缓解大规模天线技术带来的高成本和高功耗的问题，另外，为了改变基站110和终端设备120的信道情况，可以在通信系统中引入智能反射表面(intelligentreflecting surface，IRS)(如图1中的130，该IRS位于至少一组通信设备之间。该IRS可以是一种包含大量无源低成本器件的设备，其具有低成本和低功耗的优点，并且，该IRS130能够在通信设备间反射通信设备传输的信号，以辅助通信设备间的信号传输，比如IRS130可以改变基站110与终端设备120间的信道，进而提升通信设备间信号传输的可靠性。
需要指出的是，本申请实施例中涉及的名词或术语可以相互参考，不再赘述。
下面，将结合附图及实施例对本示例实施方式中的基于IRS的密钥生成方法的各个步骤进行更详细的说明。
图2A示出本公开实施例中一种基于智能反射表面IRS的密钥生成方法的流程图。本公开实施例提供的方法可以应用于图1所示的通信系统中的任意具备信号处理的通信设备，例如基站110、终端设备120。在下面的举例说明中，以系统中基站110为执行主体进行示例说明。
如图2A所示，方法200可以包括以下步骤：
在步骤S210中，对多个用户的信道进行估计，得到与多个用户对应的多个信道状态信息(Channel State Information,CSI)。
其中，通过与多个用户互发导频，基站通过信道估计获取多条信道的CSI。
其中，每个用户的信道状态信息CSI可以包括直连信道、入射信道、反射信道的幅度和相位。
在步骤S220中，随机生成IRS反射系数矩阵。
IRS(intelligent reflecting surface，智能反射表面)反射系数矩阵是IRS智能反射面的相移矩阵，是一个对角阵。例如，IRS的反射系数矩阵可以用表示，其中，θn∈[0,2π]和βn∈[0,1]是IRS每个反射单元的反射相位和幅度。
在步骤S230中，根据随机生成的IRS反射系数矩阵和多个信道状态信息确定目标信道。
其中，可以根据在随机生成的IRS反射系数矩阵的辅助下，对接收的每个用户从直连信道、入射信道、反射信道发送的信号进行再次估计量化，根据每个用户的信道量化结果例如幅度和/或相位确定目标用户对应的目标信道。
在步骤S240中，根据目标信道重新调整IRS反射系数矩阵。
在步骤S250中，根据重新调整的IRS反射系数矩阵，利用目标信道生成密钥。
其中，密钥是指在一个相干时间Tc内基站和用户双方互发导频，目标用户的终端设备和基站分别对其接收到的信号进行量化估计，根据量化后的结果分别生成的一致的密钥序列，其中密钥序列由多个密钥比特组成。
本公开提出的一种IRS辅助的多用户通信系统中的密钥生成方案，通过对系统中存在的多个通信用户的信道进行信道估计，并随机设置IRS反射系数矩阵确定目标用户的方法，一方面通过随机设置的方法更加公平地提高系统中用户的通信性能；另一方面通过确定目标用户并针对目标用户重新调整IRS反射系数矩阵使该系统的信道安全性得到了精准的提升。
进一步地，通过自动调整IRS反射系数矩阵辅助用户生成密钥的方法使基于IRS的通信系统更加智能化。
图3示出本公开实施例中又一种基于智能反射表面IRS的密钥生成方法的流程图。如图3所示，方法300包括：
在步骤S310中，对多个用户的信道进行估计，得到与多个用户对应的多个信道状态信息。
例如，图2B示出本公开实施例中一种基于智能反射表面IRS的密钥生成方法的场景示意图。对基站i和多个用户的终端设备jn之间的所有信道进行估计得到多个用户的直连信道估计值hji、入射信道估计值hir和反射信道估计值hrj。
在步骤S320中，随机生成IRS反射系数矩阵。
在随机确定IRS反射系数矩阵后，可以将基站i接收到的信号ri(t)和终端设备j接收到的信号rj(t)分别表示为：
其中，s(t)＝βcos(2πfct)为用户发送的信号,其中β是发送功率，fc是载波频率。n(t)是高斯噪声。
进一步地，可以根据公式(1)和(2)将信道接收的信号进一步写成：
r(t)＝β|h|cosθcos2πfct-β|h|sinθsin2πfct+n(t)＝
β|h|cos(2πfct+θ)+n(t) (3)
其中，|h|和θ就是基站和终端设备之间的信道幅度和相位信息。
在步骤S330中，根据随机生成的IRS反射系数矩阵和多个信道状态信息生成多个信道对应的多个第一批次密钥生成速率。
其中，第一批次密钥生成速率是在随机生成的IRS反射系数矩阵的辅助下，在一个相干时间Tc内基站和用户双方互发导频，终端设备和基站分别对其接收到的信号进行量化估计，根据量化后的结果分别生成的一致的密钥比特数量。
在本公开的一些实施例中，生成第一批次密钥生成速率的方法可以包括：
通过公式(3)对该信号的幅度和/或相位信息进行量化以生成密钥序列。以量化相位生成密钥序列的方法为例，对基站和终端设备估计出的信号相位进行均匀量化，可以表示为Q(θ)＝k，如果 q＝2n是量化级数。因此每一个相干时间Tc内，基站和终端设备可最多生成log2q个密钥比特。
根据无偏估计的最小估计的均方误差(CRB)可以表示为：
其中，σ2是噪声功率，Ns是采样点数。
假设随着采样点数增加，相位估计值(正态分布)，θ是估计误差。
假设θ落在区间则θ落在区间的概率是
则基站和终端设备的量化值落在同一区间的概率为：
进一步，可以得到基站和终端设备的总体平均量化一致率与θ落在某一区间的平均量化一致率：
在一个信道相干时间Tc内，当基站和终端设备的量化结果都落在同一量化区间上时，双方可以量化出log2q个密钥比特，所以密钥生成速率可表示为：
其中，是平均量化一致概率。
在步骤S340中，根据多个第一批次密钥生成速率确定具有相对最小的密钥生成速率的信道作为目标信道。
在本公开的一些实施例中，可以将生成的多个用户的第一批次密钥生成速率从小到大排序，将最小的第一批次密钥生成速率的信道作为目标信道。
本公开实施例通过优先提高密钥生成速率相对最低的用户的信道质量，相比于盲选到一些直连信道较佳的用户进行改善，可以更加高效地提高多用户系统的通信性能。
在步骤S350中，通过最大化目标信道的密钥生成速率重新调整IRS反射系数矩阵。
在本公开的一些实施例中，根据目标信道重新调整IRS反射系数矩阵包括通过最大化目标信道的密钥生成速率重新调整IRS反射系数矩阵。
通过最大化最小的密钥生成速率，使系统中的用户得到了更加充分地照顾，提高了通信系统的可靠性，且具有较低的算法复杂度。
具体地，例如可以通过最大化信道状态信息中的幅度信息 从而最大化密钥生成速率，从而得到IRS反射矩阵系数/>
其中，gn代表级联信道。
在步骤S360中，根据重新调整的IRS反射系数矩阵和多个信道的信道状态信息生成对应的第二批次密钥生成速率。
再次，可以使用得到第一批次密钥生成速率的方法得到第二批次密钥生成速率，也即可以根据重新调整的IRS反射矩阵系数量化信号得到信道相位信息，进而根据基站和终端设备的总体平均量化一致率(公式7)得到第二批次密钥生成速率(公式8)。
在步骤S370中，根据重新调整的IRS反射系数矩阵，利用第二批次密钥生成速率达到速率阈值的一个或多个用户的信道生成密钥，其中一个或多个用户包括目标信道的用户。
其中，速率阈值可以是例如预定义的最小速率。在密钥生成速率达到速率阈值时，该信道才能生成密钥进而实现正常通信。若信道的密钥生成速率低于该速率阈值，则代表该信道无法生成密钥导致无法实现正常通信。
在本公开的一些实施例中，第二批次生成速率达到速率阈值的一个或多个用户中至少包括目标信道对应的目标用户。
本公开在改善目标信道的通信质量的前提下，还保证了系统中其他具有较佳通信质量的用户也生成通信密钥，以提高系统的效率。
在本公开的一些实施例中，在步骤S370之后，还可以包括以下步骤，例如图4示出的本公开实施例中一种基于智能反射表面IRS的密钥生成方法中重新确定IRS反射系数矩阵的方法流程图。如图4所示，方法400可以包括：
在步骤S410中，根据第二批次密钥生成速率确定是否存在未达到速率阈值的信道。
在步骤S420中，若存在未达到速率阈值的信道，则根据未达到速率阈值的信道数量重新调整IRS反射系数矩阵生成密钥。
通过对不满足速率阈值的用户自动重新确定IRS反射系数，以根据IRS反射系数利用用户的信道满足生成密钥的速率阈值以生成密钥，从而实现提高系统的智能化和工作效率。可以有效解决部分用户由于信道质量太差且又不能分配到足够多的IRS帮助而导致的密钥生成失败的问题。
如图4所示，在步骤S420中还可以进一步包括以下步骤：
在步骤S4202中，判断未达到速率阈值的信道数量是否为1。
若未达到速率阈值的信道数量为1，则执行步骤S4204将该未达到速率阈值的信道确定为目标信道，并返回执行图3中的步骤S350，根据目标信道重新调整IRS反射系数矩阵执行方法300以接续步骤S4204。
若未达到速率阈值的信道数量大于1，则返回执行图3中的步骤S310，对多个用户的信道进行估计，得到与多个用户对应的多个信道状态信息执行方法300以接续步骤S4202。
本公开实施例在针对多用户调整IRS以辅助用户生成密钥的问题，还考虑了用户的移动性问题，通过重新对用户进行信道估计以减小误差，提高系统的准确性。
在本公开的一些实施例中，步骤S4208还可以包括如图5所示的方法，图5示出本公开实施例中一种基于智能反射表面IRS的密钥生成方法中利用信道生成密钥的方法流程图，如图5所示：
在步骤S510中，根据IRS反射系数矩阵获取一个或多个用户的信道的一个或多个相位信息。
其中，根据IRS反射系数矩阵量化相位信息的方法可以参考步骤S320，故在此不再赘述。
在步骤S520中，获取密钥序列与相位区间的对应关系。
在步骤S530中，根据一个或多个相位信息和相位区间确定对应的密钥序列。
例如，对应关系可以包括：密钥序列为00对应相位区间[0,π/2]；密钥序列为01对应相位区间[π/2,π]；密钥序列为10对应相位区间[π,3π/2]；密钥序列为11对应相位区间[3π/2，2π]。若信道相位信息落入[0,π/2]区间时密钥序列为00；落入[π/2,π]区间时密钥序列为01；落入[π,3π/2]区间时密钥序列为10；落入[3π/2，2π]区间时密钥序列为11。
本公开实施例的方案利用无线信道互易性的特征产生密钥的方法无需复杂的算法,其安全性依赖于信道的空间互异性和时间互易性,可以在较短的时间内更新密钥。
需要注意的是，上述附图仅是根据本公开示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。
图6示出本公开实施例中一种基于智能反射表面IRS的密钥生成装置的示意图。如图6所示，密钥生成装置600可以包括以下模块：
信道估计模块610，用于对多个用户的信道进行估计，得到与多个用户对应的多个信道状态信息；
IRS随机模块620，用于随机生成IRS反射系数矩阵；
目标信道确定模块630，用于根据随机生成的IRS反射系数矩阵和多个信道状态信息确定目标信道；
IRS调整模块640，用于根据目标信道重新调整IRS反射系数矩阵；
密钥生成模块650，用于根据重新确定调整的IRS反射系数矩阵的辅助下，利用目标信道生成密钥。
在本公开的一些实施例中，目标信道确定模块630还可以用于根据随机生成的IRS反射系数矩阵和多个信道状态信息生成多个信道对应的多个第一批次密钥生成速率；根据多个第一批次密钥生成速率确定具有相对最小的密钥生成速率的信道作为目标信道。
在本公开的一些实施例中，IRS调整模块640还可以用于通过最大化目标信道的密钥生成速率重新调整IRS反射系数矩阵。
在本公开的一些实施例中，IRS调整模块640还可以用于根据重新调整的IRS反射系数矩阵和所述多个信道的信道状态信息生成对应的第二批次密钥生成速率；以及密钥生成模块650还可以用于根据重新调整的IRS反射系数矩阵，利用第二批次密钥生成速率达到速率阈值的一个或多个用户的信道生成密钥，其中一个或多个用户包括目标信道的用户。
在本公开的一些实施例中，该装置600还可以包括：速率阈值判断模块，用于根据第二批次密钥生成速率确定是否存在未达到速率阈值的信道；数量判断模块，用于若存在未达到速率阈值的信道，则根据未达到速率阈值的信道数量重新调整IRS反射系数矩阵生成密钥。
在本公开的一些实施例中，数量判断模块还可以包括：用于若未达到速率阈值的信道数量为1，则将未达到速率阈值的信道作为目标信道，返回根据目标信道重新调整IRS反射系数矩阵；若未达到速率阈值的信道数量大于1，则返回对多个用户的信道进行估计，得到与多个用户对应的多个信道状态信息的步骤。
在本公开的而一些实施例中，根据重新调整的IRS反射系数矩阵，利用第二批次密钥生成速率达到速率阈值的一个或多个用户的信道生成密钥包括：根据IRS反射系数矩阵获取一个或多个用户的信道的一个或多个相位信息；获取密钥序列与相位区间的对应关系；根据一个或多个相位信息和相位区间确定对应的密钥序列。
关于上述实施例中的密钥生成装置600，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
所属技术领域的技术人员能够理解，本公开的各个方面可以实现为系统、方法或程序产品。因此，本公开的各个方面可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件实施方式、完全的软件实施方式(包括固件、微代码等)，或硬件和软件方面结合的实施方式，这里可以统称为“电路”、“模块”或“系统”。
下面参照图7来描述根据本公开的这种实施方式的电子设备700。图7显示的电子设备700仅仅是一个示例，不应对本公开实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图7所示，电子设备700以通用计算设备的形式表现。电子设备700的组件可以包括但不限于：上述至少一个处理单元710、上述至少一个存储单元720、连接不同系统组件(包括存储单元720和处理单元710)的总线730。
其中，所述存储单元存储有程序代码，所述程序代码可以被所述处理单元710执行，使得所述处理单元710执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本公开各种示例性实施方式的步骤。例如，所述处理单元710可以执行如图2A中所示的S210，对多个用户的信道进行估计，得到与多个用户对应的多个信道状态信息；S220，随机生成IRS反射系数矩阵；S230，根据随机生成的IRS反射系数矩阵和多个信道状态信息确定目标信道；S240，根据目标信道重新确定调整IRS反射系数矩阵；以及S250，根据重新调整的IRS反射系数矩阵，利用目标信道生成密钥。
存储单元720可以包括易失性存储单元形式的可读介质，例如随机存取存储单元(RAM)7201和/或高速缓存存储单元7202，还可以进一步包括只读存储单元(ROM)7203。
存储单元720还可以包括具有一组(至少一个)程序模块7205的程序/实用工具7204，这样的程序模块7205包括但不限于：操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。
总线730可以为表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储单元总线或者存储单元控制器、外围总线、图形加速端口、处理单元或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。
电子设备700也可以与一个或多个外部设备(例如键盘、指向设备、蓝牙设备等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该电子设备700交互的设备通信，和/或与使得该电子设备700能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如路由器、调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口750进行。并且，电子设备700还可以通过网络适配器760与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图所示，网络适配器760通过总线730与电子设备700的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合电子设备700使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、RAID系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。
在本公开的示例性实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有能够实现本说明书上述方法的程序产品。在一些可能的实施方式中，本公开的各个方面还可以实现为一种程序产品的形式，其包括程序代码，当所述程序产品在终端设备上运行时，所述程序代码用于使所述终端设备执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本公开各种示例性实施方式的步骤。
根据本公开的实施方式的用于实现上述方法的程序产品，其可以采用便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)并包括程序代码，并可以在终端设备，例如个人电脑上运行。然而，本公开的程序产品不限于此，在本文件中，可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
所述程序产品可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以为但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。
计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了可读程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。可读信号介质还可以是可读存储介质以外的任何可读介质，该可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、有线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本公开操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本公开的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。
此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选的，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施方式可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本公开实施方式的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备(可以是个人计算机、服务器、移动终端、或者网络设备等)执行根据本公开实施方式的方法。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (8)

1.一种基于智能反射表面IRS的密钥生成方法，其特征在于，所述方法包括：
对多个用户的信道进行估计，得到与所述多个用户对应的多个信道状态信息；
随机生成IRS反射系数矩阵；
根据随机生成的所述IRS反射系数矩阵和所述多个信道状态信息确定目标信道，包括：根据随机生成的所述IRS反射系数矩阵和所述多个信道状态信息生成所述多个信道对应的多个第一批次密钥生成速率；根据所述多个第一批次密钥生成速率确定具有相对最小的密钥生成速率的信道作为目标信道；
根据所述目标信道重新调整所述IRS反射系数矩阵，包括：通过最大化所述目标信道的密钥生成速率重新调整所述IRS反射系数矩阵；以及
根据重新调整的所述IRS反射系数矩阵，利用所述目标信道生成密钥。
2.根据权利要求1所述的基于IRS的密钥生成方法，其特征在于，根据所述目标信道重新调整所述IRS反射系数矩阵之后还包括：
根据重新调整的所述IRS反射系数矩阵和所述多个信道的信道状态信息生成对应的第二批次密钥生成速率；
根据重新调整的所述IRS反射系数矩阵，利用所述目标信道生成密钥包括：
根据重新调整的所述IRS反射系数矩阵，利用所述第二批次密钥生成速率达到速率阈值的一个或多个用户的信道生成密钥，其中所述一个或多个用户包括所述目标信道的用户。
3.根据权利要求2所述的基于IRS的密钥生成方法，其特征在于，根据重新调整的所述IRS反射系数矩阵，利用所述第二批次密钥生成速率达到速率阈值的一个或多个用户的信道生成密钥之后包括：
根据所述第二批次密钥生成速率确定是否存在未达到所述速率阈值的信道；
若存在未达到所述速率阈值的信道，则根据未达到所述速率阈值的信道数量重新调整所述IRS反射系数矩阵生成密钥。
4.根据权利要求3所述的基于IRS的密钥生成方法，其特征在于，根据未达到所述速率阈值的信道数量重新调整所述IRS反射系数矩阵生成密钥包括：
若未达到所述速率阈值的信道数量为1，则将所述未达到速率阈值的信道作为目标信道；返回根据所述目标信道重新调整所述IRS反射系数矩阵；
若未达到所述速率阈值的信道数量大于1，则返回对多个用户的信道进行估计，得到与所述多个用户对应的多个信道状态信息的步骤。
5.根据权利要求4所述的基于IRS的密钥生成方法，其特征在于，根据重新调整的所述IRS反射系数矩阵，利用所述第二批次密钥生成速率达到速率阈值的一个或多个用户的信道生成密钥包括：
根据所述IRS反射系数矩阵获取所述一个或多个用户的信道的一个或多个相位信息；
获取密钥序列与相位区间的对应关系；以及
根据所述一个或多个相位信息和所述相位区间确定对应的密钥序列。
6.一种基于智能反射表面IRS的密钥生成装置，其特征在于，所述装置包括：
信道估计模块，用于对多个用户的信道进行估计，得到与所述多个用户对应的多个信道状态信息；
IRS随机模块，用于随机生成IRS反射系数矩阵；
目标信道确定模块，用于根据随机生成的所述IRS反射系数矩阵和所述多个信道状态信息确定目标信道；
所述目标信道确定模块，还用于根据随机生成的所述IRS反射系数矩阵和所述多个信道状态信息生成所述多个信道对应的多个第一批次密钥生成速率；根据所述多个第一批次密钥生成速率确定具有相对最小的密钥生成速率的信道作为目标信道；
IRS调整模块，用于根据所述目标信道重新调整所述IRS反射系数矩阵；
所述IRS调整模块，还用于通过最大化所述目标信道的密钥生成速率重新调整所述IRS反射系数矩阵；
密钥生成模块，用于根据重新调整的所述IRS反射系数矩阵，利用所述目标信道生成密钥。
7. 一种电子设备，其特征在于，包括：
处理器；以及
存储器，用于存储所述处理器的可执行指令；
其中，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行权利要求 1～5中任意一项所述的基于智能反射表面IRS的密钥生成方法。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1～5中任意一项所述的基于智能反射表面IRS的密钥生成方法。
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