CN116318641A - 基于可重构智能表面的加密方法、系统、设备及存储介质 - Google Patents

基于可重构智能表面的加密方法、系统、设备及存储介质 Download PDF

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CN116318641A CN202211100557.3A CN202211100557A CN116318641A CN 116318641 A CN116318641 A CN 116318641A CN 202211100557 A CN202211100557 A CN 202211100557A CN 116318641 A CN116318641 A CN 116318641A
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张子婷
任宏丹
周微
许文馨
曾宇
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Abstract

本发明提供了基于可重构智能表面的加密方法、系统、设备及存储介质，其中，方法包括：获取通信双方的各节点之间的信道状态信息，通信双方使用的通讯节点之间包括至少一有源可重构智能表面；基于信道状态信息，获得达成最大密钥生成速率状态下的最优参数集合；通信双方根据最优参数集合互发同一导频信号，并根据接收信号的相位量化成密钥比特；通信双方进行信息协商确定使用相同的密钥比特进行加密通讯。本发明能够通过引入有源可重构智能表面用于物理层密钥生成，通过增大信道增益以进一步提升物理层密钥生成速率，在满足总功率约束的前提下，最大化密钥生成速率。

Description

基于可重构智能表面的加密方法、系统、设备及存储介质
技术领域
本发明涉及通讯定位领域，具体地说，涉及基于可重构智能表面的加密方法、系统、设备及存储介质。
背景技术
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。与传统的高层加密方式不同，物理层密钥生成技术利用无线信道的互易性和独特性生成密钥用于通信信息的加密。在物理层密钥生成技术中，越大的密钥生成速率意味着通信双方有更多的密钥用于通信加密，意味着更高的通信安全性。但是，受到无线信道衰落的影响，较低的密钥生成速率是物理层密钥技术的瓶颈之一。
可重构智能表面(RIS)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。为了对通讯环境中的信号盲区进行改进通常会使用可重构智能表面技术。可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surfaces，RIS)具有重新配置无线传播环境的能力，可用于通信系统(尤其是高频通信系统)覆盖盲区的覆盖增强。重构智能表面是一种全新的革命性技术，它可以通过在平面上集成大量低成本的无源反射元件，智能地重新配置无线传播环境，从而显著提高无线通信网络的性能。具体地说，RIS的不同元件可以通过控制其幅度和/或相位来独立地反射入射信号，从而协同地实现用于定向信号增强或零陷的精细的三维(3D)无源波束形成。但是，可重构智能表面在使用时通常会产生不同方向的主瓣和旁瓣，最大辐射波束叫做主瓣，主瓣旁边的小波束叫做旁瓣。可重构智能表面的方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。其中，在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低3dB(功率密度降低一半)的两点间的夹角定义为波瓣宽度(又称波束宽度或主瓣宽度或半功率角)。
而传统的无源RIS可以通过在通信节点之间创造一条视距路径以增强无线信道，从而提升物理层密钥生成速率。但由于RIS径的“乘性衰落”，传统无源RIS给系统带来的增益是有限的。智能超表面技术在理论上带来与表面单元数的平方成正比的信噪比增益(对应更高的系统容量),这也是该技术备受关注的主要原因之一。然而，该技术同时也引入了“乘性衰落”效应，即RIS反射路径的大尺度衰落与RIS到通信双方这两段路径长度的乘积成正比，这将严重降低RIS带来的信道增益。。因此，RIS只能在直射径被遮挡的非典型通信场景下获得可观的容量增益，而在直射径较强的典型通信场景中，现有的无源RIS能够带来的实际容量增益是微不足道的(非典型场景下的容量增益为65％，但典型场景下的增益只有3％)。
有鉴于此，本发明提出了一种基于可重构智能表面的加密方法、系统、设备及存储介质。
需要说明的是，上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，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
针对现有技术中的问题，本发明的目的在于提供基于可重构智能表面的加密方法、系统、设备及存储介质，克服了现有技术的困难，能够通过引入有源可重构智能表面用于物理层密钥生成，通过增大信道增益以进一步提升物理层密钥生成速率，在满足总功率约束的前提下，最大化密钥生成速率。
本发明的实施例提供一种基于可重构智能表面的加密方法，包括以下步骤：
获取通信双方的各节点之间的信道状态信息，所述通信双方使用的通讯节点之间包括至少一有源可重构智能表面；
基于所述信道状态信息，获得达成最大密钥生成速率状态下的最优参数集合；
所述通信双方根据最优参数集合互发同一导频信号，并根据接收信号的相位量化成密钥比特；以及
所述通信双方进行信息协商确定使用相同的密钥比特进行加密通讯。
优选地，所述获取通信双方的各节点之间的信道状态信息，所述通信双方使用的通讯节点之间包括至少一有源可重构智能表面，包括：
接收进行通信的双方发出的密钥生成请求，双方使用的通讯节点之间包括至少一有源可重构智能表面；
获取各节点之间的信道状态信息。
优选地，所述基于所述信道状态信息，获得达成最大密钥生成速率状态下的最优参数集合，还包括：
当有源可重构智能表面的所有反射信道的相位对齐时，接收信号的信噪比最大并且密钥生成速率最大。
优选地，所述基于所述信道状态信息，获得达成最大密钥生成速率状态下的最优参数集合，包括：
获得接收信号的信噪比最大时有源可重构智能表面的最优反射相位；
获得接收信号的信噪比最大时有源可重构智能表面的最优反射幅度；
获得接收信号的信噪比最大时有源可重构智能表面的最优发送功率；
获得接收信号的信噪比最大时有源可重构智能表面的最优量化级数。
优选地，所述获得接收信号的信噪比最大时有源可重构智能表面的最优反射相位，还包括：
最大密钥生成速率与有源可重构智能表面的反射幅度呈正相关。
优选地，所述通信双方根据最优参数集合互发同一导频信号，并根据接收信号的相位量化成密钥比特，包括：
根据最优反射相位和最优反射幅度调节有源可重构智能表面的反射系数；
所述通信双方根据最优发送功率互发导频信号；
估计出接收信号的相位；
根据最优量化级数将接收信号的相位量化成密钥比特。
优选地，所述通信双方进行信息协商确定使用相同的密钥比特进行加密通讯，包括：
所述通信双方进行信息协商，获得误差最小的密钥比特；
通过隐私放大去除泄露的信息，生成物理层密钥；
通过物理层密钥进行加密通信。
本发明的实施例还提供一种基于可重构智能表面的加密系统，用于实现上述的基于可重构智能表面的加密方法，基于可重构智能表面的加密系统包括：
状态采集模块，获取通信双方的各节点之间的信道状态信息，双方使用的通讯节点之间包括至少一有源可重构智能表面；
最优参数模块，基于信道状态信息，获得达成最大密钥生成速率状态下的最优参数集合；
密钥比特模块，通信双方根据最优参数集合互发同一导频信号，并根据接收信号的相位量化成密钥比特；以及
加密通讯模块，通信双方进行信息协商确定使用相同的密钥比特进行加密通讯。
本发明的实施例还提供一种基于可重构智能表面的加密设备，包括：
处理器；
存储器，其中存储有处理器的可执行指令；
其中，处理器配置为经由执行可执行指令来执行上述基于可重构智能表面的加密方法的步骤。
本发明的实施例还提供一种计算机可读存储介质，用于存储程序，程序被执行时实现上述基于可重构智能表面的加密方法的步骤。
本发明的目的在于提供基于可重构智能表面的加密方法、系统、设备及存储介质，能够通过引入有源RIS(有源可重构智能表面)用于物理层密钥生成，通过增大信道增益以进一步提升物理层密钥生成速率，在满足总功率约束的前提下，最大化密钥生成速率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1是本发明的基于可重构智能表面的加密方法的流程图。
图2是本发明的基于可重构智能表面的加密方法的施例中步骤S110的流程示意图。
图3是本发明的基于可重构智能表面的加密方法的施例中步骤S120的流程示意图。
图4是本发明的基于可重构智能表面的加密方法的施例中步骤S130的流程示意图。
图5是本发明的基于可重构智能表面的加密方法的施例中步骤S140的流程示意图。
图6是实施本发明的基于可重构智能表面的加密方法的场景示意图。
图7是实施本发明的基于可重构智能表面的加密方法的系统的模块示意图。
图8是本发明的基于可重构智能表面的加密系统的实施例中状态采集模块的模块示意图。
图9是本发明的基于可重构智能表面的加密系统的实施例中最优参数模块的模块示意图。
图10是本发明的基于可重构智能表面的加密系统的实施例中密钥比特模块的模块示意图。
图11是本发明的基于可重构智能表面的加密系统的实施例中加密通讯模块的模块示意图。
图12是本发明的基于可重构智能表面的加密设备的示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本申请所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用系统，本申请中的各项细节也可以根据不同观点与应用系统，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面以附图为参考，针对本申请的实施例进行详细说明，以便本申请所属技术领域的技术人员能够容易地实施。本申请可以以多种不同形态体现，并不限定于此处说明的实施例。
在本申请的表示中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的表示意指结合该实施例或示例表示的具体特征、结构、材料或者特点包括于本申请的至少一个实施例或示例中。而且，表示的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本申请中表示的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于表示目的，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”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本申请的表示中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
为了明确说明本申请，省略与说明无关的器件，对于通篇说明书中相同或类似的构成要素，赋予了相同的参照符号。
在通篇说明书中，当说某器件与另一器件“连接”时，这不仅包括“直接连接”的情形，也包括在其中间把其它元件置于其间而“间接连接”的情形。另外，当说某种器件“包括”某种构成要素时，只要没有特别相反的记载，则并非将其它构成要素排除在外，而是意味着可以还包括其它构成要素。
当说某器件在另一器件“之上”时，这可以是直接在另一器件之上，但也可以在其之间伴随着其它器件。当对照地说某器件“直接”在另一器件“之上”时，其之间不伴随其它器件。
虽然在一些实例中术语第一、第二等在本文中用来表示各种元件，但是这些元件不应当被这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件与另一个元件进行区分。例如，第一接口及第二接口等表示。再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。
此处使用的专业术语只用于言及特定实施例，并非意在限定本申请。此处使用的单数形态，只要语句未明确表示出与之相反的意义，那么还包括复数形态。在说明书中使用的“包括”的意义是把特定特性、区域、整数、步骤、作业、要素及/或成份具体化，并非排除其它特性、区域、整数、步骤、作业、要素及/或成份的存在或附加。
虽然未不同地定义，但包括此处使用的技术术语及科学术语，所有术语均具有与本申请所属技术领域的技术人员一般理解的意义相同的意义。普通使用的字典中定义的术语追加解释为具有与相关技术文献和当前提示的内容相符的意义，只要未进行定义，不得过度解释为理想的或非常公式性的意义。
图1是本发明的基于可重构智能表面的加密方法的流程图。如图1所示，本发明的基于可重构智能表面的加密方法，本发明的流程包括：
S110、获取通信双方的各节点之间的信道状态信息，双方使用的通讯节点之间包括至少一有源可重构智能表面。与现有的无源RIS只能被动地反射信号而不能对其进行放大不同，本发明中有源RIS通过在每个(或者部分)RIS单元上集成额外的反射式功放，从而对反射信号进行调控的同时，还能对其进行高增益的放大，从而可以有效消减“乘性衰落”带来的影响。但与此同时，对发射信号的主动放大也将带来更高的能耗以及热噪声干扰。对于有源RIS，由于其引入了有源器件，其引入的噪声不再像无源RIS那样可忽略，故其信号模型与无源RIS也明显不同。与没有部署RIS这一共同基线相比，现有的无源RIS在典型应用场景中仅能实现小量的容量增益，而我们提出的有源RIS可获得巨量的显著容量增益，从而有效克服了RIS“乘性衰落”效应。相比于现有的无源RIS，有源RIS在典型和非典型场景下均能获得显著的性能增益，并远高于无源RIS可获得的性能增益，故有望在未来6G系统中得到广泛应用。
S120、基于信道状态信息，获得达成最大密钥生成速率状态下的最优参数集合。本发明联合优化了RIS反射相位，RIS反射幅度，发送功率以及量化级数，并提出了一种交替优化算法，将原混合整数非线性规划问题(MINLP)解耦成4个子问题迭代求解，实现了在满足总功耗约束条件下的最大化密钥生成速率。
S130、通信双方根据最优参数集合互发同一导频信号，并根据接收信号的相位量化成密钥比特。以及
S140、通信双方进行信息协商确定使用相同的密钥比特进行加密通讯。
本发明针对传统无源RIS“乘法衰落”导致的低密钥生成速率的痛点问题，本发明引入有源RIS用于辅助生成密钥，提出了一种有源RIS辅助的物理层密钥生成方案。针对有源RIS带来的额外的反射噪声以及能耗的问题。本发明能够通过引入有源RIS(有源可重构智能表面)用于物理层密钥生成，通过增大信道增益以进一步提升物理层密钥生成速率，在满足总功率约束的前提下，最大化密钥生成速率。
图2是本发明的基于可重构智能表面的加密方法的施例中步骤S110的流程示意图。图3是本发明的基于可重构智能表面的加密方法的施例中步骤S120的流程示意图。图4是本发明的基于可重构智能表面的加密方法的施例中步骤S130的流程示意图。图5是本发明的基于可重构智能表面的加密方法的施例中步骤S140的流程示意图。图2至5所示，在图1的实施例中，步骤S110、S120、S130、S140的基础上，通过S111、S112替换了步骤S110，通过S121、S122、S123、S124替换了步骤S120，通过S131、S132、S133、S134替换了步骤S130，通过S141、S142、S143替换了步骤S140，以下针对每个步骤进行说明：
S111、接收进行通信的双方发出的密钥生成请求，双方使用的通讯节点之间包括至少一有源可重构智能表面；
S112、获取各节点之间的信道状态信息。Channel State Information:信道状态信息，在无线通信领域，所谓的CSI，就是通信链路的信道属性。它描述了信号在每条传输路径上的衰弱因子，即信道增益矩阵H中每个元素的值，如信号散射(Scattering)，环境衰弱(fading，multipath fading or shadowing fading)，距离衰减(power decay ofdistance)等信息。CSI可以使通信系统适应当前的信道条件，在多天线系统中为高可靠性高速率的通信提供了保障。一般情况下，接收端评估CSI并将其量化反馈给发送端(在时分双工系统中，需要反向评估)。
S121、获得接收信号的信噪比最大时有源可重构智能表面的最优反射相位。其中，信噪比的英文名称叫做SNR或S/N(SIGNAL-NOISE RATIO)，又称为讯噪比。是指一个电子设备或者电子系统中信号与噪声的比例。这里面的信号指的是来自设备外部需要通过这台设备进行处理的电子信号，噪声是指经过该设备后产生的原信号中并不存在的无规则的额外信号(或信息)，并且该种信号并不随原信号的变化而变化。反射系数包括反射相位和反射幅度。可重构智能表面的硬件实现基于“元表面”的概念，该概念由数字可控的二维(2D)元材料构成。具体地说，亚表面是由大量元素或所谓的亚原子组成的平面阵列，其电厚度按感兴趣工作频率的子波长的顺序排列。通过适当设计元件，包括几何形状(如方形或开口环)、尺寸/尺寸、方向、排列等，可以相应地修改其单个信号响应(反射振幅和相移)。
S122、获得接收信号的信噪比最大时有源可重构智能表面的最优反射幅度。
S123、获得接收信号的信噪比最大时有源可重构智能表面的最优发送功率。最优发射功率就是设备(手机，网卡，对讲机)所发射出来给基地台的最优信号强度。
S124、获得接收信号的信噪比最大时有源可重构智能表面的最优量化级数。在本发明中，量化级(quantitative level)简单地说就是描述信号相位的数据是多少位的二进制数据，通常用bit做单位，如16bit、24bit。16bit量化级记录声音的数据是用16位的二进制数。
S131、根据最优反射相位和最优反射幅度调节有源可重构智能表面的反射系数，在无线通信应用中，每个单元的反射系数都应该是可调的，以适应用户移动性产生的动态无线信道，从而要求实时可重构。例如：单个可重构智能表面结构中，把一个PIN二极管嵌入在每个元件中。通过直流(DC)馈电线路控制其偏置电压，PIN二极管可以在等效电路中所示的“开”和“关”状态之间切换，从而产生相移差。因此，通过智能控制器设置相应的偏置电压，可以独立地实现RIS元件的不同相移。
S132、通信双方根据最优发送功率互发导频信号。导频信号指的是在电信网内为测量或监控的目的而发送的信号，这种信号通常为单一频率。导频信号指的是在电信网内为测量或监控的目的而发送的信号，这种信号通常为单一频率。导频信号在WCDMA系统里用于软切换、小区选择重选、开环功率控制、导频污染等等算法，它无相应的逻辑、传输信道对应，存在于物理信道中；CPICH分为两类，PCPICH主导频信道，每个小区只有1个PCPICH，用于电平测试，信道评估，在整个小区内发射；另一类为SCPICHD，副导频信道，每个小区有若干这种信道，不必在整个小区内发射；导频信号用于下行信道的相位参考。在TFT中，导频信道功率恒定为29dBm，小区门限值：Ec>＝－115dBm，Ec/I0>－20dB。
S133、通信双方估计出接收信号的相位。相位(phase)是对于一个波，特定的时刻在它循环中的位置：一种它是否在波峰、波谷或它们之间的某点的标度。相位描述信号波形变化的度量，通常以度(角度)作为单位。
S134、根据最优量化级数将接收信号的相位量化成密钥比特。
S141、通信双方进行信息协商，获得误差最小的密钥比特。
S142、通信双方通过隐私放大去除泄露的信息，生成物理层密钥。
S143、通信双方通过物理层密钥进行加密通信，本实施例中，可以采用现有的或是未来发明的加密算法，利用上述步骤获得的物理层密钥进行加密通信，从而通过增大信道增益以进一步提升物理层密钥生成速率，在满足总功率约束的前提下，最大化密钥生成速率。
图6是实施本发明的基于可重构智能表面的加密方法的场景示意图。如图6所示模板实施本发明的基于可重构智能表面的加密方法的具体步骤流程包括：在本发明考虑的通信场景中：通信双方(Alice的手机1和Bob手机2)希望生成物理层密钥进行安全通信，但他们之间的直连信道被建筑物4屏蔽了。一块由N个反射元件组成的有源可重构智能表面3(有源RIS)被部署在通信节点之间以辅助生成物理层密钥。RIS的反射系数矩阵是
Figure SMS_1
其中，θn∈[0,2π]是RIS每个反射单元的相移；
ρ是RIS每个反射单元的反射幅度；
Figure SMS_2
是用户i到RIS的入射信道；
Figure SMS_3
是RIS到用户i之间的反射信道。
物理层密钥生成的具体流程为：在一个相干时间内，首先通信双方向对方发送导频，由于信道的互易性，信号经历相同的衰落，通信双方会接收到相同的信号。然后通信双方估计出接收信号的相位，最后将相位量化成密钥比特。
本发明方法主要包含四个模块：
初始化模块：用于在本模块中通信双方发出密钥生成请求，系统获取信道状态信息。参数寻优模块：用于在本模块中将求解密钥速率最大化问题，获得最优参数。密钥生成模块：用于在本模块中将基于获得的最优参数生成密钥。通讯加密模块：根据密钥进行加密通讯。本发明的通过引入有源RIS辅助生成密钥并进行相关优化以在功耗约束下最大化密钥生成速率，具体工作聚焦在“参数寻优”模块。
参见图6所示，Alice和Bob互相发送导频信号
Figure SMS_4
双方接收到的信号表示为
Figure SMS_5
Figure SMS_6
其中，pt是发送功率，
Figure SMS_7
是高斯白噪声，/>
Figure SMS_8
是有源RIS组件引入的热噪声，IN是N维单位向量。由于信道的互易性，Alice和Bob会接收到完全一致的信号，所以只分析Bob的信号。将RIS的反射系数代入后，Bob的接收信号可以进一步表示为：
Figure SMS_9
其中，
Figure SMS_10
Figure SMS_11
表示第n条反射级联信道的等效低通响应。
令
Figure SMS_12
θ＝arctan(rQ(t)rI(t))，接收信号可以进一步写成：
Figure SMS_13
其中，|h|和θ就是从Alice到Bob的信道的幅度和相位响应。
在上式中，
Figure SMS_14
为接收到的有效信号，
Figure SMS_15
为干扰噪声。
理论上来讲，根据接收到的信号相位，通信双方会量化出完全一致的密钥，但由于在估计相位时存在估计误差，将会导致一部分密钥比特不一致，从而降低密钥生成速率。所以要增大密钥速率就要降低估计误差。无偏估计的最小估计的均方误差(CRB)可以表示为：
Figure SMS_16
其中，Ns是采样点数，
Figure SMS_17
可以看出，估计误差取决于接收信号的信噪比SNR。即要最大化密钥生成速率就要最大化接收信号的信噪比。
Alice和Bob分别对估计出的信号相位进行均匀量化，即
Figure SMS_18
其中，q＝2k是量化级数。因此每一个相干时间内，Alice和Bob可最多生成log2 q个密钥比特。
假设随着采样点数增加，相位估计值
Figure SMS_19
(正态分布)，/>
Figure SMS_20
是估计误差。
假设θ落在区间
Figure SMS_21
则/>
Figure SMS_22
落在区间
Figure SMS_23
的概率是
Figure SMS_24
则Alice和Bob的量化值落在同一区间的概率为
Figure SMS_25
PA(θ)关于θ所在区间的中心轴对称，由于在的设计中
Figure SMS_26
远小于1，所以/>
Figure SMS_27
绝大概率与θ落在同一区间，可认为/>
Figure SMS_28
由于PA(θ)是一个以/>
Figure SMS_29
为周期的函数，所以Alice和Bob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一样，可以表示为：
Figure SMS_30
(积分中值定理)。
在一个信道相干时间Tc内，当Alice和Bob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：
Figure SMS_31
Figure SMS_32
是平均量化一致概率。
密钥生成速率最大化设计
根据上面的分析，建模出一个在功耗约束下最大化密钥生成速率的问题：
Figure SMS_33
(P1):s.t.q＝2m,m＝0,1,2,3...
Figure SMS_34
将原问题拆解成以下四个子问题分别求解，
子问题1：优化RIS反射相位
Figure SMS_35
s.t.Φn,n＝1
通过计算获得该转化后的问题的最优解，此处不再赘述。
当所有反射信道的相位对齐时，信号在接收处有最大的接收信噪比，即
Figure SMS_36
通过计算获得该转化后的问题的最优解，此处不再赘述。
子问题2：优化RIS反射幅度
Figure SMS_37
在更新完RIS反射系数后，接收信噪比表示为
Figure SMS_38
可以观察到，SNR是RIS反射幅度的增函数。也就是说，密钥生成速率是RIS反射幅度的增函数，所以RIS反射幅度应尽可能大，即
Figure SMS_39
通过计算获得该转化后的问题的最优解，此处不再赘述。
子问题3：优化发送功率
Figure SMS_40
s.t.pt≤Pmax
将子问题2的最优解带入子问题3后，子问题3转化为
Figure SMS_41
s.t.pt≤Pmax
通过计算获得该转化后的问题的最优解，此处不再赘述。
子问题4：优化量化级数
Figure SMS_42
s.t.q＝2m,m＝0,1,2,3...
由于密钥生成速率随着量化级数q的增大先增后减，因此可以采用爬山算法找到量化级数的最优解，此处不再赘述。
至此，已完成原问题拆解成的所有四个子问题的求解。在具体求解的过程中，由于每个子问题相互独立，只需依次解出每个子问题的最优解即可得到整个问题的全局最优解，具有极低的算法复杂度。本发明中可以采用现有的或是未来发明的计算方法来求解上述四个子问题，此处不再赘述。
与现有技术相比，现有专利仅考虑引入无源RIS辅助生成物理层密钥，其中RIS的发射系数采用随机变化的方式以增大无线信道的随机性，并未对RIS反射系数进行优化。与现有专利不同的是：本发明首次引入有源RIS用于物理层密钥生成，通过增大信道增益以进一步提升物理层密钥生成速率。进一步地，本发明通过联合设计RIS的反射系数，发送功率以及量化级数，可以充分利用RIS可智能重构无线传播环境的特点，在满足总功率约束的前提下，最大化密钥生成速率。
图7是实施本发明的基于可重构智能表面的加密方法的系统的模块示意图。如图7所示，本发明的基于可重构智能表面的加密系统，包括但不限于：
状态采集模块51，获取通信双方的各节点之间的信道状态信息，双方使用的通讯节点之间包括至少一有源可重构智能表面；
最优参数模块52，基于信道状态信息，获得达成最大密钥生成速率状态下的最优参数集合；
密钥比特模块53，通信双方根据最优参数集合互发同一导频信号，并根据接收信号的相位量化成密钥比特；以及
加密通讯模块54，通信双方进行信息协商确定使用相同的密钥比特进行加密通讯。
上述模块的实现原理参见基于可重构智能表面的加密方法中的相关介绍，此处不再赘述。
本发明的基于可重构智能表面的加密系统能够通过引入有源RIS(有源可重构智能表面)用于物理层密钥生成，通过增大信道增益以进一步提升物理层密钥生成速率，在满足总功率约束的前提下，最大化密钥生成速率。
图8是本发明的基于可重构智能表面的加密系统的实施例中状态采集模块的模块示意图。图9是本发明的基于可重构智能表面的加密系统的实施例中最优参数模块的模块示意图。图10是本发明的基于可重构智能表面的加密系统的实施例中密钥比特模块的模块示意图。图11是本发明的基于可重构智能表面的加密系统的实施例中加密通讯模块的模块示意图。图8至11所示，在图7装置实施例的基础上，本发明的基于可重构智能表面的加密系统，通过密钥请求模块511、信道状态模块512替换了状态采集模块51。通过反射相位模块521、反射幅度模块522、发送功率模块523、量化级数模块524替换了最优参数模块52。通过系数调节模块531、互发导频信号模块532、相位估计模块533、相位量化模块534替换了密钥比特模块53。通过误差协商模块541、密钥生成模块542、密钥使用模块543替换了加密通讯模块54。以下针对每个模块进行说明：
密钥请求模块511，接收进行通信的双方发出的密钥生成请求，双方使用的通讯节点之间包括至少一有源可重构智能表面。
信道状态模块512、获取各节点之间的信道状态信息。
反射相位模块521，获得接收信号的信噪比最大时有源可重构智能表面的最优反射相位。
反射幅度模块522，获得接收信号的信噪比最大时有源可重构智能表面的最优反射幅度。
发送功率模块523，获得接收信号的信噪比最大时有源可重构智能表面的最优发送功率。
量化级数模块524，获得接收信号的信噪比最大时有源可重构智能表面的最优量化级数。
系数调节模块531，根据最优反射相位和最优反射幅度调节有源可重构智能表面的反射系数。
互发导频信号模块532，通信双方根据最优发送功率互发导频信号。
相位估计模块533，通信双方估计出接收信号的相位。
相位量化模块534，根据最优量化级数将接收信号的相位量化成密钥比特。
误差协商模块541，通信双方进行信息协商，获得误差最小的密钥比特。
密钥生成模块542，通过隐私放大去除泄露的信息，生成物理层密钥。
密钥使用模块543，通过物理层密钥进行加密通信。
上述步骤的实现原理参见基于可重构智能表面的加密方法中的相关介绍，此处不再赘述。
本发明实施例还提供一种基于可重构智能表面的加密设备，包括处理器。存储器，其中存储有处理器的可执行指令。其中，处理器配置为经由执行可执行指令来执行的基于可重构智能表面的加密方法的步骤。
如上所示，该实施例本发明的基于可重构智能表面的加密系统能够通过引入有源RIS(有源可重构智能表面)用于物理层密钥生成，通过增大信道增益以进一步提升物理层密钥生成速率，在满足总功率约束的前提下，最大化密钥生成速率。
所属技术领域的技术人员能够理解，本发明的各个方面可以实现为系统、方法或程序产品。因此，本发明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“平台”。
图12是本发明的基于可重构智能表面的加密设备的示意图。下面参照图12描述根据本发明的这种实施方式的电子设备600。图12所示的电子设备600仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图12所示，电子设备600以通用计算设备的形式表现。电子设备600的组件可以包括但不限于：至少一个处理单元610、至少一个存储单元620、连接不同平台组件(包括存储单元620和处理单元610)的总线630、显示单元640等。
其中，存储单元存储有程序代码，程序代码可以被处理单元610执行，使得处理单元610执行本说明书上述电子处方流转处理方法部分中描述的根据本发明各种示例性实施方式的步骤。例如，处理单元610可以执行如图1中所示的步骤。
存储单元620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)6201和/或高速缓存存储单元6202，还可以进一步包括只读存储单元(ROM)6203。
存储单元620还可以包括具有一组(至少一个)程序模块6205的程序/实用工具6204，这样的程序模块6205包括但不限于：处理系统、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630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600也可以与一个或多个外部设备700(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600交互的设备通信，和/或与使得该电子设备600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650进行。并且，电子设备600还可以通过网络适配器660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。网络适配器660可以通过总线630与电子设备600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600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平台等。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，用于存储程序，程序被执行时实现的基于可重构智能表面的加密方法的步骤。在一些可能的实施方式中，本发明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，当程序产品在终端设备上运行时，程序代码用于使终端设备执行本说明书上述电子处方流转处理方法部分中描述的根据本发明各种示例性实施方式的步骤。
如上所示，该实施例本发明的基于可重构智能表面的加密系统能够通过引入有源RIS(有源可重构智能表面)用于物理层密钥生成，通过增大信道增益以进一步提升物理层密钥生成速率，在满足总功率约束的前提下，最大化密钥生成速率。
根据本发明的实施方式的用于实现上述方法的程序产品800，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，本发明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。
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。
计算机可读存储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。可读存储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。可读存储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发明处理的程序代码，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)。
综上，本发明的目的在于提供基于可重构智能表面的加密方法、系统、设备及存储介质，能够通过引入有源RIS(有源可重构智能表面)用于物理层密钥生成，通过增大信道增益以进一步提升物理层密钥生成速率，在满足总功率约束的前提下，最大化密钥生成速率。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于可重构智能表面的加密方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取通信双方的各节点之间的信道状态信息，所述通信双方使用的通讯节点之间包括至少一有源可重构智能表面；
基于所述信道状态信息，获得达成最大密钥生成速率状态下的最优参数集合；
所述通信双方根据最优参数集合互发同一导频信号，并根据接收信号的相位量化成密钥比特；以及
所述通信双方进行信息协商确定使用相同的密钥比特进行加密通讯。
2.如权利要求1的所述基于可重构智能表面的加密方法，其特征在于，所述获取通信双方的各节点之间的信道状态信息，所述通信双方使用的通讯节点之间包括至少一有源可重构智能表面，包括：
接收进行通信的双方发出的密钥生成请求，双方使用的通讯节点之间包括至少一有源可重构智能表面；
获取各节点之间的信道状态信息。
3.如权利要求1的所述基于可重构智能表面的加密方法，其特征在于，所述基于所述信道状态信息，获得达成最大密钥生成速率状态下的最优参数集合，还包括：
当有源可重构智能表面的所有反射信道的相位对齐时，接收信号的信噪比最大并且密钥生成速率最大。
4.如权利要求3的所述基于可重构智能表面的加密方法，其特征在于，所述基于所述信道状态信息，获得达成最大密钥生成速率状态下的最优参数集合，包括：
获得接收信号的信噪比最大时有源可重构智能表面的最优反射相位；
获得接收信号的信噪比最大时有源可重构智能表面的最优反射幅度；
获得接收信号的信噪比最大时有源可重构智能表面的最优发送功率；
获得接收信号的信噪比最大时有源可重构智能表面的最优量化级数。
5.如权利要求4的所述基于可重构智能表面的加密方法，其特征在于，所述获得接收信号的信噪比最大时有源可重构智能表面的最优反射相位，还包括：
最大密钥生成速率与有源可重构智能表面的反射幅度呈正相关。
6.如权利要求4的所述基于可重构智能表面的加密方法，其特征在于，所述通信双方根据最优参数集合互发同一导频信号，并根据接收信号的相位量化成密钥比特，包括：
根据所述最优反射相位和所述最优反射幅度调节有源可重构智能表面的反射系数；
所述通信双方根据所述最优发送功率互发导频信号；
估计出接收信号的相位；
根据所述最优量化级数将接收信号的相位量化成密钥比特。
7.如权利要求1的所述基于可重构智能表面的加密方法，其特征在于，所述通信双方进行信息协商确定使用相同的密钥比特进行加密通讯，包括：
所述通信双方进行信息协商，获得误差最小的密钥比特；
通过隐私放大去除泄露的信息，生成物理层密钥；
通过物理层密钥进行加密通信。
8.一种基于可重构智能表面的加密系统，其特征在于，包括：
状态采集模块，获取通信双方的各节点之间的信道状态信息，双方使用的通讯节点之间包括至少一有源可重构智能表面；
最优参数模块，基于信道状态信息，获得达成最大密钥生成速率状态下的最优参数集合；
密钥比特模块，通信双方根据最优参数集合互发同一导频信号，并根据接收信号的相位量化成密钥比特；以及
加密通讯模块，通信双方进行信息协商确定使用相同的密钥比特进行加密通讯。
9.一种基于可重构智能表面的加密设备，其特征在于，包括：
处理器；
存储器，其中存储有处理器的可执行指令；
其中，处理器配置为经由执行可执行指令来执行权利要求1至7中任意一项基于可重构智能表面的加密方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，用于存储程序，其特征在于，程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任意一项基于可重构智能表面的加密方法的步骤。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN118101122A (zh) * 2024-04-18 2024-05-28 南京邮电大学 基于可重构智能表面的无线通信对抗系统优化方法及装置

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