面向URLLC业务的安全增强与传输优化方法及系统技术方案

面向URLLC业务的安全增强与传输优化方法及系统，包括：构建URLLC业务安全传输模型；基于短包信息理论构建URLLC业务安全传输性能表征框架，得到等效可达安全传输速率AESR；在所提安全传输性能表征框架的基础上，构建安全性能优化问题，通过对信道估计导频长度与人工噪声注入策略进行联合，在保障URLLC业务时延和可靠性性能的前提下实现对其安全性能的增强；通过基于黄金分割思想的二维搜索算法，以较低的时间复杂度快速收敛至上述优化问题的近似最优解。本发明专利技术构建了符合URLLC业务短包传输特性的安全性能分析框架，为URLLC系统安全性能分析提供了理论依据，使用人工噪声技术对抗来自恶意节点的窃听攻击，以实现对URLLC业务的安全增强。的安全增强。的安全增强。

【技术实现步骤摘要】
面向URLLC业务的安全增强与传输优化方法及系统


[0001]本专利技术属于无线通信
，特别涉及面向URLLC业务的安全增强与传输优化方法及系统。

技术介绍

[0002]随着无线通信技术的快速发展，移动通信需求的持续快速增长已成为不可抵挡的潮流和定律。近年来，泛在的智能终端、多样的新型业务、物联网的广泛使用，给移动通信系统带来了极致速率、超低时延、超高可靠、支持海量连接的新要求。鉴于持续增长的用户需求、日益多样化的应用场景以及趋于差异化的业务类型，传统4G系统显然难以继续支撑当前社会的通信需求。因此，第五代(5G)移动通信系统应运而生。与前几代系统仅提供人与人之间的移动宽带通信不同，5G系统面向2020年以后人类社会的信息需求，将移动通信渗透到物联网等新兴领域，与工业设施、医疗器械、交通运输等应用深度融合，有效满足工业、医疗、交通等垂直行业的信息化服务需要。换句话说，5G系统不仅需要满足人们对高质量数字通信的需求，同时还需在系统架构中支持物联网相关应用，构建万物互联的数字世界。鉴于5G网络多样化的应用场景与差异化的业务类型，国际电信联盟(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.面向URLLC业务的安全增强与传输优化方法，其特征在于，包括以下步骤：根据工业物联网场景的URLLC业务安全传输系统构建URLLC业务安全传输模型；基于短包信息理论构建URLLC业务安全传输性能表征框架，得到等效可达安全传输速率AESR；在所提安全传输性能表征框架的基础上，构建安全性能优化问题，通过对信道估计导频长度与人工噪声注入策略进行联合，在保障URLLC业务时延和可靠性性能的前提下实现对其安全性能的增强；通过基于黄金分割思想的二维搜索算法，以低的时间复杂度快速收敛至上述优化问题的近似最优解。2.根据权利要求1所述的面向URLLC业务的安全增强与传输优化方法，其特征在于，工业物联网场景的URLLC业务安全传输系统包括中央控制器、执行器和若干个被动窃听节点；中央控制器作为发射机，通过下行发送包含关键任务信息的URLLC信令，远程控制执行器节点完成对应动作；若干个被动窃听节点分布在中央控制器周围。3.根据权利要求2所述的面向URLLC业务的安全增强与传输优化方法，其特征在于，URLLC业务安全传输模型：URLLC信令的总传输时延限制为m，并其对应的传输可靠性限制为∈；在二维平面空间内存在若干个地理位置未知的被动窃听者{E
k
，k＝1，2，
…
}；将被动窃听者{E
k
，k＝1，2，
…
}其在二维空间内的空间分布建模为一个密度为λ
E
的齐次泊松点过程Φ
E
；将中央控制器与执行器之间的合法链路记为链路0，将中央控制器与每个被动窃听者E
k
之间的窃听链路记为链路k＝1.2，
…
；将合法链路0与窃听链路k＝1，2，
…
的信道响应矩阵分别表示为和其中i∈{u，d}分别代表上行传输与下行传输，α代表路径损耗参数，d0代表中央控制器与执行器之间的直线距离，d
k
代表中央控制器与任意被动窃听者E
k
之间的直线距离，g
0，i
和g
k
分别代表合法链路和窃听链路的小尺度衰落分量；g
0，i
和g
k
中的每一个元素均服从零均值单位方差复高斯分布，即合法链路上行与下行信道之间的响应矩阵是互易的，即4.根据权利要求3所述的面向URLLC业务的安全增强与传输优化方法，其特征在于，合法链路：在中央控制器下行广播URLLC信令之前，获取关于链路0的瞬时信道状态信息；URLLC信令的单位传输周期分为信道训练和数据传输两个阶段，在信道训练阶段，执行器向中央控制器上传符号长度为m
t
的导频序列用于执行信道估计；中央控制器处的接收信号表示为：其中ρ
t
代表执行器端的发射功率；代表加性高斯白噪声，其元素均服从零均值、方差为Ω
n
的复高斯分布；当中央控制器端接收到信号后，其将通过最小均方误差算法对合法链路上行信道h
0，u
的瞬时值进行估计；信道估计值表示为其对应的估计误
差为和是相互独立的，表达式如下：其中代表执行器处的发射信噪比；在完成信道估计后，中央控制器结合关于h
0，u
的先验知识以及上下行信道互易性，根据最大比合并原则生成波束成形矩阵中央控制器在数据传输阶段将在数据信号的零空间中注入人工噪声；具体地，中央控制器发射的私密数据信号表示为：其中代表符号长度为m
s
＝m
‑
m
t
的数据信号，ρ
s
代表中央控制器端的发射功率，代表数据传输与人工噪声之间的功率分配比例；执行器通过合法链路接收到的URLLC信令表示为：其中其中代表加性高斯白噪声，其元素均服从零均值、方差为Ω
n
的复高斯分布；执行器端在解码后的等效接收信噪比为：其中代表中央控制器端的发射信噪比。5.根据权利要求3所述的面向URLLC业务的安全增强与传输优化方法，其特征在于，窃听链路：每个窃听者E
k
通过窃听链路所截获到的URLLC信令表示为：其中代表加性高斯白噪声，其元素均服从零均值、方差为Ω
n
的复高斯分布；每个窃听者E
k
的等效接收信噪比为：窃听者针对URLLC信令的截获能力量化为6.根据权利要求1所述的面向URLLC业务的安全增强与传输优化方法，其特征在于，构建URLLC业务安全传输性能表征框架：定义能够实现绝对安全的私密容量，即在同时保障合法端解码错误概率任意低和窃听端信息截获概率任意低的前提下，发射机在单位符号持续时间内可发送的数据比特数量上
限，基于渐进无限编码长度假设的私密容量表示为：C
sec
＝C0‑
C
E
＝log2(1+γ0)
‑
log2(1+γ
E
)，
ꢀꢀꢀꢀ
(8)其中γ0和分别代表合法链路和窃听链路的瞬时接收信噪比；短包通信业务的私密速率上限是在传统私密容量指标C
sec
的基础上，添加两项惩罚项，其数学表达式为：其中和代表合法链路和窃听链路的信道色散系数，∈∈(0，1)代表合法接收端的目标解码错误概率，δ∈(0，1)代表窃听端的信息截获概率，Q
‑1(z)代表高斯Q
‑
函数的反函数形式，其中高斯Q
‑
函数的数学表达式为根据公式(9)得到：只要URLLC信令当前的数据传输速率未超过其私密速率上限R
sec
，则一定存在相应的wiretap短包信道编码结构，使得URLLC信令在给定传输时延下的传输可靠性限制∈∈(0，1)和安全性限制δ∈(0，1)；根据等效可达安全传输速率AESR，评估具有安全需求的URLLC业务的传输性能上限，在给定传输可靠性和安全性限制的前提下，单位符号时间能够传输的关于URLLC业务比特数量的数学期望，其表达式为：积分项Φ0(γ0)和Ψ0(γ0，∈)的数学表达式分别为：和其中f
γ0

【专利技术属性】
技术研发人员：任品毅，谢云聪，张田田，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：