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Intelligent Reflecting Surface Assisted Secret Key Generation
在物理层安全技术的密钥生成中，如何实现高的密钥容量和低的比特不一致率是一个具有挑战性的问题。 本文研究了智能反射面(IRS)辅助的密钥生成方法，通过调整IRS单元的位置来实现密钥容量的最大化。 具体来说，我们从信息论的角度分析和推导了IRS辅助系统的密钥容量表达式。 然后研究了如何利用信道状态信息(CSI)有效地放置IRS单元，以最大限度地提高密钥容量。 仿真结果表明，该方案能有效地提高密钥生成的质量。
introduction
1993年S Ince Maurer[1]提出合法通信双方可以通过相关的随机源提取相同的密钥，基于密钥的物理层安全机制逐渐引起了研究的重视[2]，[3]。 由于无线信道的时变性、短时互易性和时空唯一性，可以作为产生密钥的天然源。 通过信道探测、测量量化、信息协调和保密放大，发送方和接收方可以获得安全的共享密钥。 密钥容量是密钥生成研究中的一个重要参数。 自Ahlswede和Csiszar[4]等人。 推导了信源型和信道型两种系统模型中密钥容量的理论上限，并相继开展了对更复杂系统模型下密钥容量的研究[5]、[6]。
另一方面，智能反射面(IRS)[7]，[8]已经成为一种通过一些调整来提高通信质量的有前途的技术。 通常，可以通过调节IRS的相位、幅度、频率甚至偏振等RE系数来灵活地控制信号[8]、[9]。 从本质上讲，IRS是由大量的可侦察和被动再探测单元组成，这些单元的位置也可以自适应地放置。 这些IRS单元可以独立地对入射信号产生一些变化，这有助于信号的传输。
近年来，越来越多的研究将IRSs应用于无线通信的物理层安全[10]、[11]。 这些研究者的直觉是，可以利用IRS来提高窃听信道下的保密数据率，这被称为无钥信息理论安全[12]。 在物理层安全技术的密钥生成中，如何有效地提取密钥并充分利用信道状态信息(CSI)获取更多的密钥一直是一个开放的问题。 由于IRS能够通过无源反射来实时配置无线信道，因此在提高密钥容量方面具有很大的潜力[13]。
针对无线信道密钥生成问题，提出了一种基于IRS辅助密钥生成的方案。 与文[13]的工作不同，我们考虑了一个三节点模型，并通过IRS单元的放置对模型进行了优化。 通过推导IRS辅助系统的关键容量表达式，进一步优化智能IRS单元或开关状态OFIRS单元的布局。 该方案可以在IRS单元资源有限的情况下最大限度地提高系统的关键容量。 仿真结果表明，经过IRS单元位置优化的系统不仅可以有效地提高密钥容量，而且可以大大降低比特不一致率。
本文的主要结构如下。 第二节介绍了IRS辅助系统模型。 第三节推导了系统的关键容量解析公式，并提出了IRS单元布局的优化方案。 第四节给出了仿真结果，第五节总结了全文。
IRS ASSISTED SYSTEM MODEL
密钥生成的思想是合法通信方通过信道探测、量化、信息协调和隐私放大等步骤提取安全的共享密钥。 图给出了基于CSI的密钥生成的具体过程 1和步骤如下。
- 信道探测[14]，[15]:合法通信方Alice和Bob在相干时间内先后相互发送信道探测信号，双方根据接收到的信号获得信道特征观测值。
- 测量量化[16]，[17]:合法通信双方采用相同的量化方案对信道特征值进行量化O对信道探测获得的信道特征值进行量化，从而得到初始密钥。
- 信息调和[18]，[19]:由于噪声、干扰、估计误差、半双工等因素，初始密钥中可能存在不一致的比特。 合法通信双方通过公共信道上的信息交换完成不一致密钥比特的验证，得到一致密钥比特。 交互信息可以是密钥序列号、奇偶校验矩阵等。
- 隐私放大[20]，[21]:在通道探测和信息协调过程中，窃听者Eve可能会无意中听到有关密钥的一些信息，从而对密钥的安全构成潜在威胁。 Alice和Bob可以从一组公开的散列函数中使用通用散列函数，从较长的输入流中获得固定大小长度的输出，这保证了Eve不能获得关于密钥的任何信息。
在图中描述了IRS辅助密钥生成的系统模型 2、Alice和Bob是合法的通信节点，他们的目的是从无线信道中提取密钥。 IRS是IRS，Eve是被动窃听者。 Alice、Bob和Eve均配备单天线，均采用时分双工(TDD)工作方式和半双工通信样式，可保证上下行信道在相干时间内的互易性。