[发明专利]一种智能反射阵面提升物理层密钥生成性能系统与方法

说明书

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。

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