可转向天线辅助的多用户MISO物理层密钥生成

朱政宇; 柳记通; 李鑫泽; 郑倍雄; 金梁; 黄开枝; 钟州

doi:10.12263/DZXB.20250959

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可转向天线辅助的多用户MISO物理层密钥生成

学术论文 | 更新时间：2026-04-24

- 可转向天线辅助的多用户MISO物理层密钥生成
- Rotatable Antenna-Aided Multi-User MISO Physical Layer Key Generation
- 电子学报 2025年53卷第12期页码：4296-4304
- 作者机构：
  
  1.郑州大学电气与信息工程学院，河南郑州 450001
  2.西安电子科技大学空天地一体化综合业务网全国重点实验室，陕西西安 710071
  3.郑州大学网络空间安全学院，河南郑州 450002
  4.华南理工大学微电子学院，广东广州 511442
  5.信息工程大学，河南郑州 450002
- 作者简介：
  
  [ "朱政宇男，1988年5月生，河南周口人.郑州大学教授、博士生导师.主要研究方向为无线通信和信号处理、智能反射面、物理层安全、凸优化等.中国电子学会会员编号：E190022659S.E-mail: iezyzhu@zzu.edu.cn" ]
  [ "柳记通男，2002年1月生，河南南阳人.郑州大学硕士研究生.主要研究方向为物理层安全.E-mail: iejtliu@126.com" ]
  [ "李鑫泽男，1989年6月生，河南周口人.郑州大学博士研究生.主要研究方向为物理层安全、低空网络.E-mail: iexzli@126.com" ]
  [ "郑倍雄男，1990年11月生，广东饶平人.华南理工大学副教授、博士生导师.主要研究方向为无线通信、可转向天线、智能反射面.中国电子学会会员编号：E190019907M.E-mail: bxzheng@scut.edu.cn" ]
  [ "金梁男，1969年4月生，浙江上虞人.信息工程大学教授、博士生导师.主要研究方向为无线通信、信号处理和无线内生安全等.E-mail: liangjin@263.net" ]
  [ "黄开枝女，1973年9月生，安徽滁州人.信息工程大学教授、博士生导师.主要研究方向为移动通信网络及信息安全. E-mail: huangkaizhi@tsinghua.org.cn" ]
  [ "钟州男，1982年10月生，河南郑州人.信息工程大学副教授、硕士生导师.主要研究方向为智能超表面、物理层安全、阵列信号处理等.E-mail: zhongzhoundsc@gmail.com" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金(62571495;62571182;62571193;U22A2001);河南省自然科学基金优青项目(232300421097);河南省高校科技创新人才支持计划(23HASTIT019);西安电子科技大学空天地一体化综合业务网全国重点实验室开放课题(ISN25-24)
- DOI：10.12263/DZXB.20250959
  中图分类号： TN918.4;
- 收稿：2025-11-18，
  
  录用：2025-11-27，
  
  纸质出版：2025-12-25
- 稿件说明：
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朱政宇, 柳记通, 李鑫泽, 等. 可转向天线辅助的多用户MISO物理层密钥生成[J]. 电子学报, 2025, 53(12): 4296-4304.

ZHU Zheng-yu, LIU Ji-tong, LI Xin-ze, et al. Rotatable Antenna-Aided Multi-User MISO Physical Layer Key Generation[J]. Acta Electronica Sinica, 2025, 53(12): 4296-4304.
朱政宇, 柳记通, 李鑫泽, 等. 可转向天线辅助的多用户MISO物理层密钥生成[J]. 电子学报, 2025, 53(12): 4296-4304. DOI：10.12263/DZXB.20250959

ZHU Zheng-yu, LIU Ji-tong, LI Xin-ze, et al. Rotatable Antenna-Aided Multi-User MISO Physical Layer Key Generation[J]. Acta Electronica Sinica, 2025, 53(12): 4296-4304. DOI：10.12263/DZXB.20250959

摘要

针对无线通信系统中存在的窃听攻击与信息泄露风险，提出一种可转向天线（Rotatable Antenna，RA）辅助的多用户多输入单输出（Multiple Input Single Output，MISO）系统的物理层密钥生成（Physical Layer Key Generation，PLKG）方案.通过利用RA的方向可控特性，构建了以系统密钥和速率最大化为目标函数，以总功率、各用户最低服务质量、RA最大天顶角及指向向量归一化为约束条件的优化问题.为求解该非凸问题，设计了一种基于交替优化（Alternating Optimization，AO）、半正定松弛（Semi-Definite Relaxation，SDR）、连续凸逼近（Successive Convex Approximation，SCA）的优化算法.仿真结果表明，所提方案相较于基准方案具有更高的密钥和速率，验证了RA在提高物理层密钥生成速率方面的有效性.

Abstract

Aiming at the eavesdropping attacks and information leakage risks existing in wireless communication systems

a physical layer key generation (PLKG) scheme for multi-user multiple input single output (MISO) systems assisted by rotatable antenna (RA) is proposed. By utilizing the directional controllability of RA

an optimization problem is constructed

where the objective function is the maximization of the system’s sum key generation rate

and the constraints include total transmit power

the minimum quality of service requirements for each user

the maximum zenith angle of RA

and the normalization of the pointing vector. To solve this non-convex problem

an optimization algorithm based on alternating optimization (AO)

semi-definite relaxation (SDR)

and successive convex approximation (SCA) is designed. Simulation results show that the proposed scheme exhibits a higher sum key generation rate compared with the benchmark scheme

which demonstrates the effectiveness of RA in enhancing the physical layer key generation rate.

关键词

Keywords

references

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