面向物联网隐蔽传输系统的信息年龄最小化方法及系统

技术领域

本发明属于通信安全技术领域，尤其涉及一种面向物联网隐蔽传输系统的信息年龄最小化方法及系统。

背景技术

目前，物联网是物物互联的互联网，它利用局部网络或互联网等通信技术将无处不在的终端设备连接在一起，并提供适当的安全保障机制与安全可控的个性化服务和管理，例如实时监测，定位追溯，决策支持，报警联动，调度指挥等。在物联网技术的支持下，实现对“万物”高效、节能、安全的“管、控、营”一体化是可行的。作为国家五大新兴战略性产业之一，物联网得到了广泛应用，被部署在电子医疗，智慧城市，军事领域等多个方面。随着第五代移动通信技术(Fifth Generation，5G)大规模商用和第六代移动通信技术(SixthGeneration，6G)研发部署，物联网技术将释放出前所未有的活力，推动万物互联型社会的构建。随着物联网技术逐步渗透到社会、生活等各个方面，以无线通信为主的信息传播方式及应用也越来越广泛。相比于有线通信，无线通信由于其开放特性及广播特性，更易受到窃听、假冒、篡改等恶意攻击，用户的隐私数据及网络的管理数据更易受到安全性威胁。一旦用户及网络的敏感信息泄露，将可能会导致十分严重的后果；除此之外，无线通信的感知节点大部分部署在无人监控的环境中，其安全性难以得到有效保障，一旦这些节点被攻击，将对整个无线通信网络带来严重影响，因此物联网通信的安全性需求与日俱增。

为了满足上述物联网通信安全需求，研究者从语义，技术，行为三种层面分别提出解决措施。从语义安全层面来说，其强调通信载体的含义无法被窃听者破译，代表技术有加密技术，利用该加密技术可以保证信息的完整性、可用性、机密性；从技术安全层面来说，其强调通信载体无法被窃听者截获，代表技术有物理层安全技术，作为传统安全机制的补充，它的出现与传统安全通信在一定程度上实现了兼容与互补；从行为安全层面来说，其强调通信行为无法被窃听者发现，代表技术有信息隐藏技术，即隐蔽通信。隐蔽通信是一种低检测、低截获通信方式，旨在通过时、空、频等多维域隐藏使窃听者信号检测与估值的性能恶化甚至失效，从而实现信息的隐蔽传输。近年来，物联网安全通信需求正在从技术安全上升为行为安全。例如，在军事战场上，指挥部需要向军队传达命令，如果是从技术安全角度出发通过加密信息来传达命令，依然有可能被敌方截获并破解；如果从行为安全角度出发，在敌方不知情情况下传输信息，则该信息的安全性便大大提高。因此，隐蔽通信近年来成为研究者们重点关注的研究方向。

在现有的研究工作中，研究者们更多关注的是如何提高隐蔽吞吐量，而忽视了隐蔽物联网监控系统的信息新鲜度。在物联网系统中，传感组件从物理世界中收集信息，并试图隐蔽地、及时地将信息传递给控制器。如果控制器上更新的信息已经过时，那么采用这些过时的状态信息所生成的决策结果一定是不合时宜的，甚至会导致严重的后果。为了衡量信息更新的新鲜度，学者们引入了一种被称为信息年龄(Age ofInformation，AoI)的性能指标。信息年龄被定义为从信息产生到当前时刻为止的时间差，和时延最大的区别在于信息年龄不仅仅包含信息的传输时延，还包括信息在源节点的等待时间以及在目的节点的停留时间。在这种背景下，阻碍物联网网络中隐蔽传输的一个关键问题是如何在保持隐蔽的同时提高信息的新鲜度。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有无线通信由于其开放特性及广播特性，更易受到窃听、假冒、篡改等恶意攻击，用户的隐私数据及网络的管理数据更易受到安全性威胁。

(2)用户及网络的敏感信息泄露，将可能会导致十分严重的后果；除此之外，无线通信的感知节点大部分部署在无人监控的环境中，其安全性难以得到有效保障，一旦这些节点被攻击，将对整个无线通信网络带来严重影响。

(3)在物联网系统中，传感组件从物理世界中收集信息，并试图隐蔽地、及时地将信息传递给控制器。如果控制器上更新的信息已经过时，采用这些过时的状态信息所生成的决策结果一定是不合时宜的，甚至会导致严重的后果。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种面向物联网隐蔽传输系统的信息年龄最小化方法及系统。

本发明是这样实现的，一种面向物联网隐蔽传输系统的信息年龄最小化方法，所述面向物联网隐蔽传输系统的信息年龄最小化方法包括：利用一种基于时限窗口重传的隐蔽通信技术，该技术通过优化物联网传输系统的最大允许重传次数，在最低限度隐蔽性约束条件下，获得了最小化的系统传输信息新鲜度，实现了隐蔽性和信息新鲜度之间的最佳平衡，保障了物联网系统信息传输的安全性和有效性。

进一步，所述面向物联网隐蔽传输系统的信息年龄最小化方法包括以下步骤：

步骤一，计算Bob处的中断概率；(积极作用：定义了互信息I小于目标传输速率R的概率)

步骤二，计算Bob处平均AoI的闭式表达式；(积极作用：将约束条件用数学表达式来描述，便于后续步骤中对优化问题进行数学建模)

步骤三，计算Willie处平均错误检测概率；(积极作用：将约束条件用数学表达式来描述，便于后续步骤中对优化问题进行数学建模)

步骤四，构建优化问题；(积极作用：将平均AoI的最小化转化为数学问题以便分析求解)

步骤五，求解优化问题。(积极作用：求解优化问题得到最大允许重传次数以实现平均AoI的最小化)

进一步，所述步骤一中的计算Bob处的中断概率q包括：

其中，I是Alice和Bob之间的互信息，R是目标传输速率，

进一步，所述步骤二中的计算Bob处平均AoI的闭式表达式包括：

Bob至t处成功信息解码的数量N

N

从第i-1个被成功解码的包到下一个被成功解码的包的等待时间W

W

从T

K

最新生成的包到成功解码的包的时刻d

S

两个连续的成功解码的包之间的时间间隔X

X

根据平均AoI的定义，数学表达式写为：

而E(S

其中，p是状态更新的生成概率，K是最大允许传输次数。

E(X

E(W

最终Bob处平均AoI表示为：

进一步，所述步骤三中的Willie处平均错误检测概率表示为：

P

其中，P

其中，F

进一步，所述步骤四中的构建优化问题包括：

利用计算所得各表达式构造优化问题，优化问题表达式如下：

s.t.D(F

1≤K≤K

其中，K

所述步骤五中的求解优化问题包括：

为求解该优化问题，重新改写隐蔽性限制条件；根据相对熵的定义式以及每个时隙里面信号的独立性，隐蔽性限制条件被重新改写为：

为获得平均AoI的最小时的最大允许传输次数K，隐蔽性限制改写为：

(1)若不等式右边为负数，则K

(2)若不等式右边为非负数，则

本发明的另一目的在于提供一种实施所述的面向物联网隐蔽传输系统的信息年龄最小化方法的面向物联网隐蔽传输系统的信息年龄最小化系统，所述面向物联网隐蔽传输系统的信息年龄最小化系统包括：

中断概率计算模块，用于计算Bob处的中断概率；

闭式表达式计算模块，用于计算Bob处平均AoI的闭式表达式；

错误检测概率计算模块，用于计算Willie处平均错误检测概率；

优化问题构建模块，用于利用计算所得各表达式构造优化问题；

优化问题求解模块，用于根据相对熵的定义式以及每个时隙里面信号的独立性，重新改写隐蔽性限制条件。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

首先推导Bob处中断概率、平均AoI和期望的Willie平均错误检测概率的闭式表达式；通过求解优化问题得到最大允许重传次数；最后通过仿真验证理论分析，并揭示提出的重传策略实现隐蔽性和信息新鲜度之间的平衡。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

首先推导Bob处中断概率、平均AoI和期望的Willie平均错误检测概率的闭式表达式；通过求解优化问题得到最大允许重传次数；最后通过仿真验证理论分析，并揭示提出的重传策略实现隐蔽性和信息新鲜度之间的平衡。

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的面向物联网隐蔽传输系统的信息年龄最小化系统。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

为了解决现有技术存在的问题，本发明提出了基于时限窗口重传的隐蔽传输策略。本发明设计了一个物联网系统，该物联网监控系统由一个远程传感器(Alice)、一个控制器(Bob)和一个窃听者(Willie)组成。Alice监视一个目标区域，并秘密地将感官信息传递给Bob。为了保证所收集信息的新鲜度，Bob会通过反馈信号告知Alice更新的信息是否被成功解码。此外，Willie还试图检测Alice和Bob之间的传输行为。

远程传感器Alice试图秘密地将其感知采集到的信息隐蔽地传输给控制器Bob，同时保持系统最小化的AoI。由于在实际的通信系统中，Bob处有可能会解码失败，因此，在该网络系统中，允许Alice在多个连续的时间段内重新发送未被成功解码的信息以降低系统的AoI。然而，较长时间的重复连续数据传输行为易被窃听者Willie检测，从而导致系统的隐蔽性能下降。因此，本发明提出一个优化问题，即如何在隐蔽性约束下，最小化系统的平均AoI。本发明首先推导出了Bob处的中断概率，系统的平均AoI和Willie处平均错误检测概率，然后在平均错误检测概率约束条件下，通过数值优化求得使系统平均AoI最小的最大允许连续重传次数。最后，仿真结果表明，最大允许连续重传次数的最优选择是满足隐蔽性约束条件的上界值。本发明提出的重传策略能够在给定的隐蔽性约束下保证信息的新鲜度。

本发明首先推导了Bob处中断概率、平均AoI和期望的Willie平均错误检测概率的闭式表达式。然后通过求解优化问题得到最大允许重传次数。本发明通过大量的仿真验证了理论分析，并揭示提出的重传策略实现了隐蔽性和信息新鲜度之间的平衡。本发明首次将时间限制重传策略应用到物联网隐蔽传输系统中的平均AoI最小化问题上，并且通过调整最大允许传输次数有效降低了隐蔽性限制下的平均AoI。

第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

本发明提供的面向物联网隐蔽传输系统的信息年龄最小化的方法是一种在物联网隐蔽传输系统中使信息年龄最小化的方法，它提供了一种基于时间限制的重传策略来实现对物联网监控系统下高时效隐蔽信息的传输。

本发明首次将时间限制重传策略应用到物联网隐蔽传输系统中的平均AoI最小化问题上。同时，本发明通过调整最大允许传输次数有效降低了隐蔽性限制下的平均AoI。

第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

(1)本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：

随着物联网的飞速发展及迅速普及，以无线通信为主的信息传播方式由于其开放性及广播特性，将使得信息传播过程中信息更容易遭到窃听与干扰。与与此同时，在无线通信的广泛应用下，信息能否被及时交付显得尤为重要。在许多场合，例如在自动驾驶领域中，若车辆位置信息，路况信息没有及时传输到接收端可能会造成很重的车祸；在军事领域中，若战况信息没有及时交付，决策者依据过时的信息下达的命令很可能酿成惨祸。保证更新的信息不被窃听干扰的同时以最小的信息年龄交付到接收端，十分具有研究价值与商业价值。本发明所提供的面向物联网隐蔽传输系统的信息年龄最小化方法将为自动驾驶领域，军事领域在内的众多无线通信应用场景提供兼具隐蔽性与及时性的信息交付方案。本发明所提出的基于时限窗口的重传策略能够保证在隐蔽性条件限制下，状态更新以最小的信息年龄交付到用户手中。若本发明被应用到实际场景中去，例如在军事领域中本发明可在保证信息传输不被干扰窃听的同时，尽可能减小信息年龄，使得决策者根据最新的战况信息做出尽可能最明确的决定，从而获得胜利。由此可见本发明具有十分广泛的应用场景，也将带来巨大的商业价值。

(2)本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：

本发明首次将基于时限窗口的重传策略应用到面向物联网隐蔽传输系统的信息年龄最小化当中去，这在国内外尚属首次。近年来随着物联网技术深入应用，如何在保证隐蔽性的同时尽可能提高时间敏感类应用交付的及时性吸引了许多研究者的目光。本发明创新性的提出的基于时间限制的重传策略可以解决上述问题，填补了国内外关于在隐蔽性限制条件下最小化信息年龄的技术空白，具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的面向物联网隐蔽传输系统的信息年龄最小化的方法流程图。

图2是本发明实施例提供的面向物联网隐蔽传输系统的信息年龄最小化的方法原理图。

图3是本发明实施例提供的面向物联网隐蔽传输系统的信息年龄最小化的系统结构框图。

图4是本发明实施例提供的隐蔽通信系统的应用场景模型图。

图5是本发明实施例提供的一个状态更新的平均AoI演化过程示意图。

图6是本发明实施例提供的分别使用不同发射功率下平均AoI随最大允许传输次数的变化曲线图。

图7是本发明实施例提供的分别使用不同发射功率下平均AoI和最大允许传输次数随隐蔽性需求的变化曲线图。

图中：1、中断概率计算模块；2、闭式表达式计算模块；3、错误检测概率计算模块；4、优化问题构建模块；5、优化问题求解模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种面向物联网隐蔽传输系统的信息年龄最小化方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的面向物联网隐蔽传输系统的信息年龄最小化方法包括以下步骤：

S101，计算Bob处的中断概率；

S102，计算Bob处平均AoI的闭式表达式；

S103，计算Willie处平均错误检测概率；

S104，构建优化问题；

S105，求解优化问题。

本发明实施例提供的面向物联网隐蔽传输系统的信息年龄最小化的方法原理图如图2所示。

如图3所示，本发明实施例提供的面向物联网隐蔽传输系统的信息年龄最小化系统包括：

中断概率计算模块1，用于计算Bob处的中断概率；

闭式表达式计算模块2，用于计算Bob处平均AoI的闭式表达式；

错误检测概率计算模块3，用于计算Willie处平均错误检测概率；

优化问题构建模块4，用于利用计算所得各表达式构造优化问题；

优化问题求解模块5，用于根据相对熵的定义式以及每个时隙里面信号的独立性，重新改写隐蔽性限制条件。

本发明属于通信安全技术领域，是一种在物联网网络隐蔽性约束条件下使信息年龄最小化的方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图4所示，本发明的使用场景是一个物联网监控系统，包括一个远程传感器(Alice)、一个控制器(Bob)和一个窃听者(Willie)。Alice打算监视一个目标区域，并秘密地将感官信息传递给鲍勃。为了保证所收集信息的新鲜度，Bob会通过反馈信号告知Alice更新的信息是否被成功解码。此外，Willie还试图检测Alice和Bob之间的传输行为。

参照图3，本发明在上述场景下的实现步骤如下：

步骤1，计算Bob处的中断概率，将约束条件用数学表达式描述，便于后续步骤中对优化问题进行数学建模。

1.1)定义远程传感器(Alice)、控制器(Bob)和窃听者(Willie)；

1.2)定义状态更新传输的中断概率q。

步骤2，计算Bob处平均AoI的闭式表达式，将约束条件用数学表达式描述，便于后续步骤中对优化问题进行数学建模。

2.1)定义重要间隔N

2.2)依照如图5所示的多边形，计算其面积可得平均AoI的一般表达式；

2.3)根据平均AoI的一般表达式求解E(X

2.4)将E(X

步骤3，计算Willie处平均错误检测概率，将约束条件用数学表达式描述，便于后续步骤中对优化问题进行数学建模。

3.1)定义Willie处平均错误检测概率；

3.2)根据Pinsker不等式，改写平均错误检测概率；

3.3)计算相对熵，得到隐蔽性限制条件。

步骤4，构建优化问题，利用上述所求闭式表达式构建优化问题，实现在平均错误检测概率限制条件下系统AoI的最小化。

4.1)构造优化函数；

步骤5，求解优化问题，求解该优化问题，实现在隐蔽性限制下最小化平均AoI，获得不同情况下的最大允许传输次数。

5.1)改写隐蔽性限制条件；

5.1.1)若不等式右边为负数，得到该情况下使得平均AoI的最大允许传输次数；

5.1.2)若不等式右边为非负数，得到该情况下使得平均AoI的最大允许传输次数。

二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。

本发明的应用场景是在物联网隐蔽传输系统中实现信息年龄最小化。参照图4，该场景模型中包括一个远程传感器(Alice)、一个控制器(Bob)和一个窃听者(Willie)。Alice监视一个目标区域，并秘密地将感官信息传递给Bob。为了保证所收集信息的新鲜度，Bob会通过反馈信号告知Alice更新的信息是否被成功解码。此外，Willie还试图检测Alice和Bob之间的传输行为。远程传感器Alice试图秘密地将其感知采集到的信息隐蔽地传输给控制器Bob，同时保持系统最小化的AoI。由于在实际的通信系统中，Bob处有可能会解码失败，因此，在该网络系统中，允许Alice在多个连续的时间段内重新发送未被成功解码的信息以降低系统的AoI。然而，较长时间的重复连续数据传输行为易被窃听者Willie检测，从而导致系统的隐蔽性能下降。

参照图3，本发明在上述场景下实现信息年龄最小化包括如下实施步骤：

步骤1，计算Bob处的中断概率，将约束条件用数学表达式描述，便于后续步骤中对优化问题进行数学建模。

1.3)定义远程传感器(Alice)、控制器(Bob)和窃听者(Willie)；

1.4)定义状态更新传输的中断概率q。

步骤2，计算Bob处平均AoI的闭式表达式，将约束条件用数学表达式描述，便于后续步骤中对优化问题进行数学建模。

2.1)定义重要间隔N

2.2)依照如图5所示的多边形，计算其面积可得平均AoI的一般表达式；

2.3)根据平均AoI的一般表达式求解E(X

2.4)将E(X

步骤3，计算Willie处平均错误检测概率，将约束条件用数学表达式描述，便于后续步骤中对优化问题进行数学建模。

3.1)定义Willie处平均错误检测概率；

3.2)根据Pinsker不等式，改写平均错误检测概率；

3.3)计算相对熵，得到隐蔽性限制条件。

步骤4，构建优化问题，利用上述所求闭式表达式构建优化问题，实现在平均错误检测概率限制条件下系统AoI的最小化。

4.1)构造优化函数；

步骤5，求解优化问题，求解该优化问题，实现在隐蔽性限制下最小化平均AoI，获得不同情况下的最大允许传输次数。

5.1)改写隐蔽性限制条件；

5.1.1)若不等式右边为负数，得到该情况下使得平均AoI的最大允许传输次数；

5.1.2)若不等式右边为非负数，得到该情况下使得平均AoI的最大允许传输次数。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。

本发明的效果可以通过仿真进一步说明：

1.仿真条件：在NB-IoT系统中，包括载波频率为940MHz和带宽为200kHz的GSM信道。Alice和Bob之间的距离以及Alice和Willie之间的距离均设置为2000m。在距离2000m处，该系统路径损耗设置为158dB。Alice的要求数据速率设置为100kbps。Bob和Willie处的热噪声密度设置为-174dBm/Hz。Alice到Bob之间的瑞利衰落信道的参数λ

2.仿真内容：在不限制隐蔽性情况下和限制隐蔽性情况下分别考虑最大允许传输次数对平均AoI的影响。如图6所示，展示在没有隐蔽性限制条件下，不同发射功率的平均AoI随最大允许传输次数的变化曲线，表明没有重传策略，信息新鲜度将恶化。如图7所示，展示在不同隐蔽性需求下，平均AoI和最大允许传输次数随隐蔽性需求的变化曲线，表明平均AoI随着隐蔽性要求的降低而降低以及当隐蔽性需求较低时较大的最大允许传输次数是被允许的。此外，如果最大允许传输次数的值很大，则达到其上限，然后平均AoI保持不变。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。