一种智能反射面辅助的物理层安全与加密技术传输方法

本发明属于无线通信，涉及一种智能反射面辅助的物理层安全与加密技术传输方法。

背景技术：

1、近年来，随着物联网、人工智能和移动通信等技术的快速发展，通信技术已经实现了从2g、3g至5g的多代持续演进。在第五代移动通信技术正式商用的今天，海量的移动设备需要接入网络寻求高质量的通信服务，同时对通信服务的类型也快速增加。5g技术的三大应用场景为高可靠低时延通信、海量接入和增强移动带宽。

2、在努力研究如何获得更大的频带资源、更高的信道容量、更大的通信速率以及更低的通信时延的同时，5g通信网络中存在的隐私和安全问题也同样值得关注。隐私和安全问题主要涉及到用户的个人隐私泄露和通信过程中的信息泄露。由于这些特性，窃听者可以在任何角度对电磁波束进行获取和窃听，从而威胁私密信息的安全传输。为了应对这些挑战，现代无线通信网络的信息传输安全技术主要分为两类：一种是基于密码学的应用层安全传输技术，它利用密码学的加密技术保护数据的机密性。发送方对传输信号采用对称或者非对称的加密算法进行加密，接收方必须通过密钥对该信号进行解密来还原信号。这种加密方式的好处是保密性和可靠性都较为出色。然而，由于计算机硬件的飞速发展，超级计算机和量子计算机的出现，基于密码学的信息安全技术遭遇了前所未有的挑战。另一种信息传输安全技术是基于无线通信原理的物理层安全传输技术，该技术利用通信协议网络的底层协议物理层或网络层的特性来实现保护数据的加密传输。

3、在公开号为cn117014881a的中国专利中，通过将智能全向表面引入下行miso无线通信网络中，每个系统中的非活跃用户都具有潜在的窃听风险，通过结合发射基站的发射波束成形矢量和智能全向表面处的被动波束成形矢量，可以重构无线传输信道，增强合法接收信道，弱化窃听信道，提升系统保密容量；此外通过计算系统保密和速率的下界，只要发射信息以不高于保密和速率的速率传输，可以从信息论层面保证传输的稳定性和安全性；然而，现有技术中对于信号处理和算法设计比较复杂，对于传统的安全增强技术需要额外的硬件设备，如多天线系统，当存在多天线非法窃听器时，传统方法可能难以保证通信的安全性能；为此，提出了一种智能反射面辅助的物理层安全与加密技术传输方法。

技术实现思路

1、1.所要解决的技术问题：

2、现有技术中对于信号处理和算法设计比较复杂，对于传统的安全增强技术需要额外的硬件设备，如多天线系统，当存在多天线非法窃听器时，传统方法可能难以保证通信的安全性能。

3、2.技术方案：

4、为了解决以上问题，本发明提供了一种智能反射面辅助的物理层安全与加密技术传输方法，包括以下步骤：

5、步骤s1：构建智能反射表面，由大量无源反射元件组成，并将智能反射表面布置在通信系统的发射端和接收端周围。

6、步骤s2：建立信道模型，使智能反射表面根据当前信道状态信息自适应调整参数。

7、步骤s3：设计动态的波束赋形，使智能表面能够在不同的时刻对不同方向的信号进行增强或抑制。

8、步骤s4：将对称密钥加密技术与智能反射表面辅助的物理层安全措施相结合，形成多层次密钥管理协议。

9、步骤s5：在通信过程中，实时监控信道状态，并根据监控结果，智能反射表面自动调整其参数，最大化信号的传输效率和安全性。

10、在步骤s2中，所述自适应调整参数具体步骤为：

11、步骤s201：获取当前的信道状态信息，包括信道的离开角和到达角参数，通过解耦原子范数最小化方法进行估计。

12、步骤s202：将信道的二维角度估计问题转化为两个一维的角度估计的半正定规划问题，然后利用交替方向乘子算法对该半正定规划问题进行求解。

13、步骤s203：采用动量梯度下降法对信道矩阵参数进行更新，通过对迭代步长和信道矩阵参数的联合优化，获得信道估计值。

14、步骤s204：通过变容二极管控制反射相位，并利用部分接收到的电磁波获取射频相位信息，转换相位信息为视觉图像用于卷积神经网络，进而确定接收器设备的位置，根据该位置微控制单元可以通过反馈回路调整相位分布。

15、所述智能反射表面使用变容二极管，通过施加在变容二极管上的反向偏压，精确调节其电容值，控制智能反射表面单元的反射相位，使智能反射表面能够动态地改变入射电磁波的反射方向，适应不断变化的信道条件。

16、所述智能反射表面通过通孔结构接收一部分反射的电磁波信号，在不影响主要信号传输的前提下，实现精确的传感和相位信息获取。

17、步骤s3的具体步骤为：

18、步骤s301：采用最小二乘法获取信道信息，包括信道的离开角、到达角和复数信道增益参数，表示为:

19、

20、其中，y表示接收到的信号向量，x表示已知的发送信号矩阵，h表示共轭转置，表示估计的信道冲激响应。

21、步骤s302：根据信道估计结果，设计波束赋形策略，确定波束赋形的目标，包括增强特定方向的信号或抑制其他方向的信号泄露。

22、步骤s303：构建优化问题，优化问题表示为：

23、

24、其中，w表示波束赋形向量，h表示信道冲激响应向量，f(·)表示优化目标函数，为接收信号强度或信噪比，|wi|表示第i个元素的幅度限制。

25、步骤s304：在动态场景中，使用递归最小二乘法设计波束赋形，表示为：

26、c(n)＝λc(n-1)+x(n)xh(n)g(n)＝λg(n-1)+d(n)x(n)w(n)＝c-1(n)g(n)，

27、其中，w(n)表示时间步n的最优权重向量，c(n)表示自相关矩阵，g(n)表示互相关向量，λ为遗忘因子，x(n)表示输入信号矢量，d(n)表示期望响应。

28、步骤s305：通过求解优化问题得到波束赋形权重向量w，根据计算出的波束赋形权重，使用数字信号处理器和高速数模转换器/模数转换器实时调整智能表面的元素，形成期望的波束形状。

29、步骤s4的具体步骤为：

30、步骤s401：将加密密钥k使用多项式函数f(x)生成n个份额，其中f(x)的度为k-1，该份额被分发给n个密钥管理服务器。

31、步骤s402：收集至少k个份额，通过拉格朗日插值法构造一个k-1次的多项式，得到原始的加密密钥k；该拉格朗日插值法通过构造基函数li(x)，使函数在点xi的取值为1，而在其他插值点取值为0，则插值多项式表示为所有基函数与对应y值的乘积之和：

32、

33、其中，li(x)为拉格朗日基函数，其通过下式表达：

34、

35、该乘积是在所有j不等于i的情况下进行的，确保xi处li(x)的值为1，而在其他插值点xj的值为0。

36、步骤s403、更新密钥时，选择新的加密密钥，重复上述步骤分发新的份额。

37、在步骤s5中，所述信道状态信息包括信道的多径传播特性、衰落特性、用户和窃听者的位置，通过物理层安全技术，实时监测窃听者的存在和行为，增强合法通信的信号质量，同时降低窃听者的信号质量。

38、3.有益效果：

39、本发明通过调整其表面的反射单元的相位来控制信号的传播方向，有效减少信号在不期望的方向上的泄露，降低被潜在窃听者捕获的可能性。

40、本发明可以在不需要额外发射功率的情况下，通过被动地调整入射信号的相位来实现信号的聚焦或扩散，有效提高系统的能源效率；还可以更精确地控制信号传播环境，有效地利用频谱资源，提高频谱利用率。

41、本发明可以根据实时的信道状态信息动态调整其参数，以适应环境变化和对抗潜在的窃听行为，具有较强的适应性和灵活性。