基于IRIS的短包通信系统安全传输方案

文献发布时间：2024-04-18 19:58:30

技术领域

本发明属于移动通信领域，尤其涉及一种基于IRIS的短包通信系统安全传输方案。

背景技术

超可靠低时延通信(Ultra-Reliability Low-Latency Communications，URLLC)是5G和6G的关键技术之一，被广泛应用在智能工厂、智能电网、智能交通等场景中。URLLC业务要求端到端时延低于1ms，因此采用有限块长的短数据包通信来满足严格的服务质量要求。

由于无线介质的广播和叠加特性，无线系统天生容易受到窃听。为了解决这一问题，从信息论的角度提出了物理层安全(PLS，Physical Layer Security)技术，通过保证安全的无线通信来补充现有的加密技术，以确保信息传输的安全。PLS利用无线信道的噪声和衰落特性的内在随机性来限制窃听者可以提取的信息量。因此，安全无线传输取决于从基站到合法用户的信道条件与从基站到窃听用户的信道条件之间的差异。

智能反射表面(RIS，Reconfigurable Intelligent Surface)能够智能地调控无线传播环境，从而提高通信质量，能够满足URLLC在时延、可靠性和连接方面的要求。然而，RIS的低成本和可重构性也会带来严重的潜在风险，攻击者可以利用非法智能反射表面(IRIS，Illegal Reconfigurable Intelligent Surface)增强窃听链路或破坏合法链路的性能，从而对无线通信系统的整体安全构成严重威胁。因此需要考虑IRIS对短包通信系统的物理层安全性能的影响。

发明内容

为了研究RIS辅助的短包通信系统的物理层安全问题，本发明公开了一种基于IRIS的短包通信系统安全输方案。

本发明实施例提供了如下技术方案：

一种基于IRIS的短包通信系统安全传输方案，所述方法包括：

步骤A，构建RIS与非法智能反射表面IRIS共存的下行窃听系统，建立合法用户和窃听者的信道模型；

步骤B，根据信道模型分别计算合法用户和窃听者的信干噪比(SINR，Signal toInterference plus Noise Ratio)均值和方差，利用SINR的均值和方差推导SINR的概率密度函数；

步骤C，利用SINR的概率密度函数进一步推导物理层安全吞吐量(ST，SecrecyThroughput)的表达式，并进行渐近分析；

步骤D，进一步联合被动优化波束成形向量和块长度以最大化总ST，利用纳什均衡近似波束成形向量，最后基于随机连续凸近似的交替迭代得到最优解；

其中，步骤A具体包括：

A1，系统中有一个配有M根天线的基站(BS，Base Station)，一个配有N个反射单元的RIS和B个单天线用户(Bob)，窃听用户(Eve)利用非法RIS(IRIS)窃取BS发送给Bob的信息。BS-Bob的信道为h

A2，BS-Bob之间的信道由BS-Bob的直接链路和BS-RIS-Bob的反射链路组成，Bob接收到的信号表示为

A3，BS-Eve之间的信道只有BS-IRIS-Eve的反射链路。Eve接收到的信号表示为

其中，步骤B具体包括：

B1，在使用迫零波束成形的情况下，用户间干扰被消除。Bob的SINR为

B2，信道统一用κ-μ分布建模，则Bob的SINR的概率密度函数计算为

B3，接下来求解Bob的SINR的均值E[|g

B4，求解Eve的SINR的均值E[|g

其中，步骤C具体包括：

C1，假设BS发送的数据包长度为n

C2，根据错误概率的近似形式，利用黎曼积分近似得到ST的闭合表达式的近似为

C3，当不存在IRIS时，设备Bob可实现的ST仍然是有下界的；当IRIS反射元素数量增加到一定值时，ST的减小速率减慢，最终趋近稳定值；

C4，对于具有理想相移的RIS，当RIS反射元素数量N增加到无穷大时，设备Bob可实现的ST为R

其中，步骤D具体包括：

D1，考虑RIS和IRIS的相移约束，基于统计信道状态信息联合优化合法被动波束成形向量Θ

D2，无论Bob的SINRγ

D3，首先对优化目标函数进行分析。计算

D4,利用均衡场近似的方法解耦波束成形向量Θ

D5，近似Θ

D6，利用随机连续凸近似求解优化问题。利用二次函数近似目标函数，在第t次迭代中解决近似问题

D7，近似Θ

D8，利用随机连续凸近似求解优化问题。利用二次函数近似目标函数，在第t次迭代中解决近似问题

D9，交替迭代优化波束形成向量，直到达到设定的迭代次数，得到最优的合法被动波束成形向量Θ

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

现有的技术都是利用RIS辅助无线传输，以增强物理层安全性能，本发明进一步考虑了恶意用户利用IRIS进行窃听的情况，提出了一种基于IRIS的短包窃听模型。首先利用信噪比的概率密度函数推导了安全吞吐量的近似闭合表达式，分析了RIS和IRIS的最优反射元素数量；进一步利用统计信道状态信息联合设计相移矩阵和块长度，提出了基于均衡场的随机连续凸近似算法，利用纳什均衡加速问题收敛，从而得到了ST最大化问题的平稳解。所提出的方法能够效提高系统的安全吞吐量，为URLLC中的物理层安全传输提供了新的思路。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明一个实施例所提供的一种基于IRIS的短包通信物理层安全传输方案的流程示意图。

具体实施方式

正如背景技术部分所述，如何在存在IRIS的情况下，在满足超可靠低时延的服务质量要求的同时保障信息的安全传输为本领域人员亟待解决的问题。

本发明的核心思想在于，首次考虑了RIS和IRIS共存的短包通信系统的物理层安全性能，推导了物理层安全吞吐量的表达式，联合设计了被动波束成形向量和块长度以最大化总物理层安全吞吐量。基于统计信道状态信息联合设计了被动波束成形向量和块长度。提出了基于均衡场的随机连续凸近似算法，利用纳什均衡加速问题收敛，从而得到了ST最大化问题的平稳解。

参见图1，本发明实施例提供一种基于IRIS的短包通信物理层安全传输方案，所述方法包括：

基于IRIS的短包通信系统安全输方案，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A，构建智能反射表面(RIS，Reconfigurable Intelligent Surface)与非法智能反射表面(IRIS，Illegal Reconfigurable Intelligent Surface)共存的下行窃听系统，建立合法用户和窃听者的信道模型；