方向图可重构天线辅助的物理层密钥生成方法及装置

本发明属于无线通信安全，特别涉及一种方向图可重构天线辅助的物理层密钥生成方法及装置。

背景技术：

1、利用无线信道固有的随机性和互易性，物理层密钥生成可以实现理论上的完美安全。但是，在一些恶劣的传播场景中，例如低移动性或低信噪比传播环境，密钥生成率很难得到保证。电磁超材料的出现为解决上述问题提供了一种有前途的手段。电磁超材料具有通过各元件状态的变化来控制相位、振幅和极化等电磁波特性的能力，可以动态地对无线环境进行编程和重构。由于物理层密钥生成的性能依赖于衰落信道的特性，因此通过电磁超材料智能调节无线环境成为改进物理层密钥生成的关键技术。目前，利用电磁超材料辅助的物理层密钥生成多利用电磁超材料增加无线信道的随机性，例如，在静态环境中，通过电磁超材料的快速相位切换来引入虚拟多径衰落信道。

2、然而，在多径衰落场景中，多径信号在收发器处直接合并可能导致相位抵消，从而导致接收器处接收信号质量下降。因此，由于多径衰落效应，合法方信道估计的相关性降低，导致密钥容量损失。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决多径信号在收发器处直接合并导致相位抵消，从而导致接收器处接收信号质量下降，降低密钥容量的问题，提出一种方向图可重构天线辅助的物理层密钥生成方法及装置，通过调控方向图可重构天线来改变多径合并方式，减轻多径衰落的影响，以增加合法上行链路和下行链路信道之间的相关性，实现密钥容量的提升。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

3、本发明提供了一种方向图可重构天线辅助的物理层密钥生成方法，包含以下步骤：

4、用户向基站发送公开导频信号，同时，基站通过调控方向图可重构天线形成差异化的接收模式，在单个导频符号内进行k次采样；

5、基站利用原子范数最小化算法处理差异化的接收信号，估计到达角和信道增益；

6、基站根据估计出的到达角和信道增益，利用二进制粒子群优化算法计算最大化接收信号信噪比时超材料粒子的最优码字；

7、基站和用户分别再次发送公开导频信号，其中基站利用上述得到的超材料粒子的最优码字进行导频信号的发送和接收；

8、基站和用户通过对抗多径衰落效应获得了高度相关的信道估计值，对该值进行量化、信息协商和隐私放大，保证生成一致的密钥。

9、根据本发明方向图可重构天线辅助的物理层密钥生成方法，进一步地，基站通过调控方向图可重构天线形成差异化的接收模式，在单个导频符号内进行k次采样，其接收到的多径信号表示为：

10、

11、其中，hba表示从用户到基站的信道，x表示导频信号，为加性高斯白噪声，是相移矩阵，是阵列响应矩阵，l是多径的数量，θl是第l条径的到达角度，φ(θ)＝[φ1(θ),…,φn(θ)]t是方向图响应矩阵，n是pra元件数量，是多径信道增益系数。

12、根据本发明方向图可重构天线辅助的物理层密钥生成方法，进一步地，利用最小二乘算法进行估计信道得到将信道重构且简化为：

13、

14、其中，上标表示矩阵的逆，ε为信道估计误差。

15、根据本发明方向图可重构天线辅助的物理层密钥生成方法，进一步地，基站利用原子范数最小化算法处理差异化的接收信号，仅使用单个rf链恢复到达角和信道增益，包括：

16、根据要恢复的信号，通过包含与所需信号具有相同维度的原子来制定原子集；利用半正定规划的解求得原子范数；接着利用基于矩阵特征空间分解的方法计算出角度信息；最后利用角度信息求解信道增益。

17、根据本发明方向图可重构天线辅助的物理层密钥生成方法，进一步地，利用二进制粒子群优化算法计算最大化接收信号信噪比时超材料粒子的最优码字，包括：

18、由于每个超材料粒子包含bbit离散相位，因此将每个pra元件设为一个(m·b)维向量，其中每个粒子表示一个相位值，粒子的移动速度表示位置改变的概率，由下式给出：

19、

20、其中，和是0到1之间的随机数，c1和c2是加速度常数，w是惯性权重，是个体最优位置，是全局最优位置；速度vi通过sigmoid函数映射被限制在区间[0，1]内，表达式如下：

21、

22、位置通过以下公式进行更新：

23、

24、计算适应度函数来评估目标值，首先将m·b维二元向量转换为m维向量：

25、

26、其中，表示向量m-th列到(m·b)-th列，m∈{1,2,···,m}，适应度函数表示为：

27、

28、其中，cn表示ris的数组响应向量，表示估计出的到达角，表示估计出的信道增益；

29、最后通过多次迭代和评估适应度，获得具有期望接收性能的bbit最优编码。

30、根据本发明方向图可重构天线辅助的物理层密钥生成方法，进一步地，基站和用户分别再次发送公开导频信号，其中基站利用上述得到的超材料粒子的最优码字进行导频信号的发送和接收；基站和用户接收的信号表达式如下：

31、

32、

33、其中，ωopt表示最优编码，φopt(θ)表示ris的最优相移，gba表示用户到基站的信道增益系数，xb表示用户向基站发送的导频信号，gab表示基站到用户的信道增益系数，xa表示基站向用户发送的导频信号，ni表示i处的噪声，其中i∈{a,b}。

34、根据本发明方向图可重构天线辅助的物理层密钥生成方法，进一步地，基站和用户利用最小二乘算法获得了高度相关的信道估计值：

35、

36、

37、本发明还提供了一种方向图可重构天线辅助的物理层密钥生成装置，包括pra调控模块、信道参数估计模块、超材料粒子最优码字计算模块、导频信号发送和接收模块以及密钥生成模块；其中：

38、pra调控模块，用于用户向基站发送公开导频信号，同时，基站通过调控方向图可重构天线形成差异化的接收模式，在单个导频符号内进行k次采样；

39、信道参数估计模块，用于基站利用原子范数最小化算法处理差异化的接收信号，估计到达角和信道增益；

40、超材料粒子最优码字计算模块，用于基站根据估计出的到达角和信道增益，利用二进制粒子群优化算法计算最大化接收信号信噪比时超材料粒子的最优码字；

41、导频信号发送和接收模块，用于基站和用户分别再次发送公开导频信号，其中基站利用上述得到的超材料粒子的最优码字进行导频信号的发送和接收；

42、密钥生成模块，用于基站和用户通过对抗多径衰落效应获得了高度相关的信道估计值，对该值进行量化、信息协商和隐私放大，保证生成一致的密钥。

43、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

44、1、与现有的物理层密钥生成方法相比，本发明基站端利用方向图可重构天线(pra,pattern reconfigurable antenna)，每个pra由多个pra元件构成，通过调控每个pra元件的状态，改变信号接收模式，使基站改变多径合并方式，减轻多径衰落效应，从而提升接收信号信噪比。另外，在时域中对单通道pra进行过采样替代传统相位阵列的空间采样，可以节约大量射频天线从而避免资源浪费。

45、2、本发明通过分离多径信道，利用匹配最优码字接收，进一步提高接收信号信噪比，从而提升了合法信道上下行链路之间的相关性，有效提升密钥容量。